Los diagnósticos con láser de electrones libres de rayos X permiten sondear la estructura electrónica en condiciones extremas de presión y temperatura, como las que se dan en el interior de las estrellas o en experimentos de fusión por confinamiento inercial. Esto supone un desafío para los modelos teóricos que deben interpretar los datos. Aunque la teoría del funcional de la densidad de Kohn-Sham puede analizar estas mediciones, su alto coste computacional limita su uso rutinario.


La alternativa eficiente del orbital libre
La teoría del funcional de la densidad de orbital libre es una alternativa mucho más eficiente, con un coste que escala linealmente con el tamaño del sistema y una dependencia débil de la temperatura. Sin embargo, a menudo carece de la precisión necesaria para describir la estructura electrónica con el detalle requerido.

Precisión de Kohn-Sham con la eficiencia del orbital libre

Para superar esta limitación, se presenta un marco no empírico de orbital libre asistido por Kohn-Sham. Este enfoque permite simular con la eficiencia del orbital libre, pero logrando una precisión comparable a la de Kohn-Sham para calcular densidades electrónicas, factores de estructura electrón-ión y ecuaciones de estado en un amplio rango de condiciones.

Las comparaciones con datos de Monte Carlo cuántico para hidrógeno denso y las mediciones de dispersión de Rayleigh en berilio caliente y denso validan la fiabilidad del método, que acelera los cálculos hasta varios cientos de veces frente a Kohn-Sham. Además, se demuestra que incluso a temperaturas del orden de 100 eV, la no localidad cuántica sigue siendo esencial para describir correctamente la estructura del hidrógeno denso.

El desafío siempre es simular el interior de una estrella sin que el tiempo de cálculo se vuelva astronómico.