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Einmalige Einblicke in einen exotischen Materiezustand

Kieler Physiker entwickeln neue Simulationsmethode zur Erforschung der warmen dichten Materie

Die Eigenschaften der Materie, die uns im Alltag umgibt, werden in der Regel durch komplizierte Wechselwirkungen zwischen Elektronen bestimmt. Diese elektrisch geladenen Teilchen gehören zu den fundamentalen Bausteinen der Natur. Mittlerweile sind sie gut erforscht und die Theoretische Physik hat die elektronische Struktur eines Großteils der Materie verstanden. Wie sich Materie unter extremen Bedingungen verhält, ist allerdings noch immer weitestgehend ungeklärt. Diese finden sich überall dort, wo sehr großer Druck und hohe Temperaturen herrschen, zum Beispiel im Inneren von Sternen und Planeten. Hier befindet sich Materie in einem exotischen Zustand zwischen fest, flüssig und gasförmig. Eine Forschungsgruppe der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) und des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf hat jetzt eine Methode entwickelt, um erstmals dynamische Eigenschaften dieser sogenannten „warmen dichten Materie“ zu beschreiben. Ihre dafür entwickelten Computersimulationen stellen sie in der aktuellen Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift Physical Review Letters vor.

Inzwischen kann warme dichte Materie auch in großen Forschungseinrichtungen experimentell erzeugt werden, wie zum Beispiel an Hochintensitätslasern oder freien Elektronenlasern wie dem European XFEL  in Hamburg und Schleswig-Holstein. Hierzu werden starke Laser verwendet, die Materie enorm komprimieren und erhitzen können. Mithilfe eines weiteren Lasers wird sie anschließend untersucht. Eine Messung der sogenannten Röntgen-Thomson-Streuung - die das Maß der Streuung eines Laserstrahls an freien Elektronen bezeichnet - ermöglicht es, zahlreiche Eigenschaften der warmen dichten Materie zu bestimmen, wie zum Beispiel ihre elektrische Leitfähigkeit oder ihre Absorption von Strahlung. 

Dies setzt jedoch ein umfassendes theoretisches Verständnis der warmen dichten Materie voraus, insbesondere des sogenannten dynamischen Strukturfaktors der komprimierten warmen Elektronen. Diesen zuverlässig und genau zu beschreiben, ist der Wissenschaft bisher nicht gelungen. Zu komplex ist das Zusammenwirken verschiedener Faktoren, die bei Temperaturen bis zu zehn Millionen Grad Celsius und einer Dichte, wie sie sonst nur in Festkörpern vorkommt, eine Rolle spielen. Dazu gehören neben der starken Hitze die sogenannte Coulomb-Wechselwirkung, die auftritt, wenn zwei negativ geladene Elektronen sich abstoßen, sowie zahlreiche quantenmechanische Effekte.

Den Forschenden unter der Leitung von Michael Bonitz, Professor für Theoretisch Physik an der CAU, ist nun ein Durchbruch gelungen: Anhand aufwendiger Berechnungen auf Großcomputern haben sie eine Simulationsmethode entwickelt, mit der sie  den  dynamischen Strukturfaktor von Elektronen in warmer dichter Materie erstmals exakt beschreiben können. Dafür entwickelten sie eigene, in den letzten Jahren entwickelte Quanten-Monte Carlo-Simulationen weiter.

„Unsere neuen Daten ermöglichen einmalige Einblicke”, erklärt Bonitz. „Bereits gezeigt hat sich bemerkenswerterweise, dass die exakte Beschreibung der Abstoßung zwischen negativen Ladungen zu einem deutlich veränderten Thomson-Streusignal führt, insbesondere zu einer drastisch veränderten Plasmonendispersion, verglichen mit vorherigen Theorien.“ Diese Vorhersagen sollen nun experimentell überprüft werden. Die so gewonnenen Ergebnisse sind von außerordentlicher Bedeutung für die Interpretation von hochmodernen Experimenten mit warmer dichter Materie, wie sie in Kürze im XFEL beginnen werden. Sie können zum Beispiel verwendet werden, um zentrale Eigenschaften zu bestimmen, zum Beispiel wie die Temperatur der Elektronen oder die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Wellen, die entstehen, wenn die Materie mit Lasern beschossen wird.

Originalpublikation:

Ab initio Path Integral Monte Carlo Results for the Dynamic Structure Factor of Correlated Electrons: From the Electron Liquid to Warm Dense Matter, T. Dornheim, S. Groth, J. Vorberger, and M. Bonitz, Phys. Rev. Lett. 121, 255001 – Published 17 December 2018, DOI: doi.org/10.1103/PhysRevLett.121.255001