中子星内部究竟发生了什么还有待猜测。就物理学而言，中子星、冷原子气体和核系统的内部都有一个共同点：它们都是由高度相互作用的超流体费米子组成的气体系统。研究人员给超级计算机Piz注入了一种新的模拟方法，结果最终提供了对此类系统未知过程的洞察。中子星、冷原子气体和核系统都是由高度相互作用的超流体费米子组成的气体系统，即由自旋为半整数粒子(固有角动量)组成的系统。费米子的种类包括电子、质子和中子。在非常低的温度下，这些系统被描述为超流体，这意味着它们中的粒子不会产生任何内摩擦，并且具有几乎完美的导热性能。
博科园-科学科普：这些超流体费米气体的行为不符合经典物理定律，而是可以更好地用量子力学定律来描述。华沙理工大学和西雅图华盛顿大学助理教授加布里埃尔·瓦兹沃夫斯基及其团队最近开发了一种基于密度泛函理论（DFT）的新方法。在超级计算机Piz Daint的帮助下，他们的目标是创建这些超流体费米子系统及其动力学的高度精确描述。
换句话说，它们将描述涡旋如何在这种“原子云”中形成和衰减，其研究结果发表在《物理评论快报》上。在超流体费米气体中，单个费米子和相关费米子同时存在。从自旋相反的粒子之间的相互关系中，材料的超导性能出现了。
中子星的结构示意图。图片：Watts, A et al., Rev. Mod. Phys. 88, 021001
相关的费米子，像超导体中的电子一样，以冷凝态成对存在，被称为库柏对。每一对都可以在不损失能量的情况下通过系统。然而，多年来人们一直在研究自旋不平衡的情况下会发生什么，因为不是每个粒子都能找到自旋相反的伙伴来形成库珀对。情况类似于民间舞会，男女人数不平衡，有人会因为他/她不能组成一对而感到沮丧。未成对原子的作用是什么？这正是研究人员一直在研究的。对超流体费米气体，特别是自旋不平衡系统的精确描述，在过去一直是非常困难的，旋转不平衡发生在系统受到磁场的影响。研究人员现在的目标是将DFT形式应用于中子星以及磁星(具有强磁场的中子星)，以预测内部发生的事情。
这些形状代表了研究人员在自旋不平衡原子云中发现的各种漩涡。图片：Gabriel Wlazłowski
显然，没有办法明确地探测恒星的内部。因此,我们需要依靠模拟，需要可靠的工具。因此，研究人员正在寻找一个与目标系统有很多相似之处的陆地系统。事实证明，强相互作用的超冷原子气体与中子物质非常相似。在数值实验中，研究人员使用了目前可用于多体系统的最完整的量子理论描述来描述这种类型的系统。这使得他们能够对超流体系统产生更深入的DFT理论。他们还将其与一种特殊的时间相关的非平衡费米气体的超流体局部密度近似结合起来如果没有近似，超导DFT将导致甚至对于亿亿级超级计算机而言无法达到的积分微分方程式。通过目前的研究，研究人员现在能够证明这种近似在考虑的系统中非常有效。
模拟和实验之间的联系
通过创建计算的可视化并将这些图像与实验照片进行比较，能够直接观察这些量子力学系统。理论和实验结果的比较得出了极好的相关性。
这使得研究人员能够提供证据，证明他们计算这类系统行为的新方法是有效的。下一步，将把这种方法应用到肉眼永远看不到的过程中，比如中子星内部的过程。另一个重要的发现来自于研究人员对超流体中三种不同的涡旋衰减模式的观察。根据研究人员的说法，不同的衰变模式(见图)取决于系统粒子的自旋极化。极化是由超流体气体中未成对粒子的吸附作用引起。换句话说：大自然试图在不阻碍超流体的区域收集未成对粒子。
量子化涡旋核心就是这样的地方，不同涡旋的极化会阻止它们再次结合，至少研究人员是这样预测的。因此假定极化效应对量子现象有相当大的影响，并将导致物理学中尚未发现的新领域。然而，仅仅重现一些数据是不够的——我们能预测一些全新的东西吗？下一个要克服的重要障碍是找出这种方法是否具有预测能力。这种高度复杂的问题需要巨大的计算能力。从技术上讲，研究人员解决了数十万个依赖于时间的非线性耦合三维偏微分方程(PDEs)。因此，该研究的作者向欧洲高级计算伙伴关系(PRACE)提交了计算时间请求，并获准在CSCS上使用Piz Daint，因为按照作者的说法，在欧洲只有Piz Daint可以处理此类计算。
博科园-科学科普｜研究/来自: 瑞士国家超级计算中心/Simone Ulmer
参考期刊文献:《物理评论快报》
DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.253002
博科园-传递宇宙科学之美
