近日，美国能源部普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)开发出一种新的模拟方法，该方法有望显著增强聚变研究以及计算机芯片的制造水平。

PPPL在一份新闻稿中介绍，研究人员开发出一种更快、更稳定的方法来模拟工业等离子体内部的旋转电场，此类等离子体被应用于微芯片和涂层材料的制造。

模拟等离子体长期面临巨大计算能力需求的挑战。以往的动力学模拟需追踪等离子体内的单个粒子，每秒要对数千个点进行数百万次数学运算，即使是世界上最快的超级计算机也常常难以满足其计算需求。

“这是我们能力的一大进步。”PPPL首席研究物理学家、新研究的共同作者伊戈尔·卡冈诺维奇(Igor Kaganovich)表示。

新的模拟代码由PPPL和领先的芯片设备制造商应用材料公司通过公私合作共同开发，目前已用于深入了解对工业过程至关重要的电感耦合等离子体。

不过，代码的初始版本存在可靠性问题。经过重大修改后，其稳定性得到大幅提升。阿尔伯塔大学研究员兼论文第一作者Dmytro Sydorenko解释道：“我们改变了方程式，模拟立即变得非常可靠，不再发生碰撞。所以现在我们有了一个可用的工具，可以将电感耦合等离子体模拟到两个空间维度。”

一项关键改进在于对螺线管电场的精细计算。该电场由载有电流的线圈产生，对于加热等离子体至关重要。PPPL的金晨指出：“对于一个复杂的问题来说，改进是显著的。”

该模拟采用“粒子在网格中”的方法，能精确追踪单个或小粒子群在网格上的移动。这种方法对于工业应用中常见的低压等离子体尤为有效，而传统的基于流体的模拟依赖于平均值和不可靠的ge值。

新模拟最重要的进步之一是能够准确保存能量，从而确保结果真实反映物理过程。卡冈诺维奇强调：“这种新的模拟使我们能够快速模拟更大的等离子体，同时准确地保存能量，有助于确保结果反映真实的物理过程而不是数值伪影。”

研究团队总结称，由于每次模拟可能涉及数千甚至数百万个步骤，一个小错误就可能对结果产生重大影响，确保能量守恒有助于使模拟结果忠实于真实的等离子体。

通过这些详细模拟所获得的增强理解，有望开启新的可能性。通过提供精确的分布函数，显示粒子处于特定位置和速度的概率，科学家可以更深入地了解等离子体如何形成和演化。