Скорость симуляции экспериментов на мощнейшем рентгеновском лазере удалось повысить в 50 раз
Исследователи из Германии разработали новый вычислительный метод, который может значительно ускорить проведение экспериментов на самом мощном в мире рентгеновском лазере, а также потенциально продвинуть исследования в области термоядерной энергии. Созданный учёными из Центра имени Гельмгольца в Дрезден-Россендорфе (HZDR), новый метод позволяет ускорить сложные компьютерные симуляции, используемые для анализа экспериментов по рентгеновскому рассеянию на European XFEL. По словам исследовательской группы, этот метод может сделать подобные симуляции в 50 раз быстрее, при этом сохраняя критически важные физические детали. Это достижение призвано способствовать существенному прогрессу в исследованиях термоядерного синтеза и лабораторной астрофизике.
Тобиас Дорнхайм, PhD, руководитель отдела физики высоких плотностей энергии в Институте радиационной физики HZDR, подчеркнул важность этой разработки. «Если мы хотим построить термоядерную электростанцию, мы должны понимать, что на самом деле происходит в таких экстремальных состояниях материи», — сказал он. «Теперь наш новый метод позволяет всесторонне и точно анализировать наборы данных, полученные в ходе таких экспериментов».
Учёные используют такие установки, как European XFEL вблизи Гамбурга, для изучения материи при экстремальных температурах и давлениях, подобных тем, что встречаются внутри звёзд и планет-гигантов. Те же самые условия можно воспроизвести в лаборатории в ходе экспериментов по лазерному термоядерному синтезу.
Чтобы лучше понять, что происходит в этих экстремальных условиях, исследователи используют рентгеновское рассеяние: они направляют интенсивные рентгеновские пучки через образцы и анализируют характер рассеяния, чтобы определить такие свойства, как плотность и температура. Но интерпретация этих экспериментов требует масштабных компьютерных симуляций, которые чрезвычайно дорогостоящи с вычислительной точки зрения.
«Мы моделируем систему с различными параметрами и ищем, какая комбинация соответствует экспериментальным наблюдениям», — пояснил Дорнхайм. При высоких температурах учёным приходится учитывать множество квантово-механических состояний, а также иметь дело с численными артефактами, которые могут исказить результаты. Чтобы интерпретировать свои эксперименты, они вынуждены рассчитывать многочисленные комбинации температуры и плотности (параметрическое сканирование), что требует огромного вычислительного времени. «И его у нас просто не бесконечно много», — добавил Дорнхайм.
Чтобы решить эту проблему, команда HZDR создала метод, который может определять, какие части смоделированного сигнала содержат реальную физическую информацию, а какие являются лишь числовыми шумами. Метод опирается на математическое преобразование в мнимое время — квантово-механическую концепцию, тесно связанную с температурой.
Жандос Молдабеков, исследователь HZDR, который предложил идею этого метода, пояснил, что он сохраняет физическую структуру сигнала. «Основываясь на этом, мы объединяем надежный тест на сходимость с процедурой фильтрации, которая удаляет искусственные осцилляции ("звон"), не искажая физическую информацию», — заявил он. «В наших тестах симуляции работали в 50 раз быстрее», — объяснил Молдабеков, добавив, что это означает, что учёные смогут выполнять больше симуляций и более точно анализировать экспериментальные данные.
Ожидается, что новый метод сыграет важную роль в экспериментах на European XFEL, особенно в рамках консорциума HIBEF. Он также может продвинуть лабораторную астрофизику, помогая исследователям воссоздавать экстремальные давления и температуры внутри планет.
Более того, метод позволит рассчитывать такие свойства материалов, как электропроводность и поглощение излучения, быстрее и точнее. «Должна быть возможность развить наш метод в стандартный инструмент для интерпретации современных рентгеновских экспериментов, — заключил Молдабеков в пресс-релизе. — В будущем он сможет играть центральную роль в исследовании экстремальных состояний материи».
Исследование в журнале npj Computational Materials.