Forschung

Elektronen halten fest zusammen

17.09.2020 - Warme dichte Materie zeigt erstmals nichtlineare Reaktion auf starke Anregung.

Viele Himmelskörper wie Sterne oder Planeten enthalten Materie, die hohen Temperaturen und Drücken ausgesetzt ist – auch warme dichte Materie (WDM) genannt. Obwohl dieser Zustand auf der Erde nur im Erdkern vorkommt, schafft die Erforschung der WDM grund­legende Voraus­setzungen für zahlreiche Zukunfts­bereiche wie saubere Energie, härtere Materialien oder ein besseres Verständnis unseres Sonnensystems. Ein Team um den Tobias Dornheim vom Center for Advanced Systems Understanding (Casus) zeigt nun, dass sich warme dichte Materie deutlich anders verhält als angenommen, was ihre bisherige Beschreibung in Frage stellt.
 

Um den exotischen Zustand warmer dichter Materie auf der Erde erforschen zu können, erzeugen ihn Wissenschaftler künstlich im Labor. Das gelingt unter anderem über Kompression durch leistungs­starke Laser. „Eine Probe, beispielsweise Kunststoff- oder Aluminium­folie, wird dabei mit einem Laserstrahl beschossen, heizt sich an der Oberfläche sehr stark auf und wird durch die dadurch entstehende Schockwelle komprimiert. Durch den Einsatz eines Röntgenlasers, wie etwa dem European XFEL in Schenefeld in der Nähe von Hamburg, können anschließend die resultierenden Spektren – das heißt, wie sich die Probe unter diesen Bedingungen verhält – auf Detektoren aufgenommen werden und in einem Bereich von einem Angström deren Material­eigenschaften bestimmt werden“, erläutert Jan Vorberger vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) und fügt hinzu: „Wichtige Parameter wie die Temperatur oder die Dichte können jedoch nicht direkt gemessen werden. Hierfür sind zur Auswertung der WDM-Experimente theoretische Modelle von zentraler Bedeutung.“

Solche Simulationsmodelle für die theoretische Beschreibung warmer dichter Materie entwickelt Tobias Dornheim. Je stärker die Targets durch Laser­bestrahlung gestört werden, das heißt je stärker die Elektronen in diesen Materialien angeregt werden, umso stärker reagieren sie. Bisher stützten sich die Berechnungen ausschließlich auf die Annahme einer „linearen Reaktion”. In ihrer neuen Veröffentlichung zeigen Tobias Dornheim von Casus, Jan Vorberger vom HZDR und Michael Bonitz von der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel aber, dass das System entgegen dieser Annahme deutlich schwächer reagiert, je stärker die Störung ist. 

Die Ergebnisse haben weit reichende Auswirkungen für die Interpretation von Experimenten mit warmer dichter Materie. „Mit dieser Studie haben wir die Grundlage für viele neue Entwicklungen zur theoretischen Beschreibung warmer dichter Materie gelegt“, schätzt Dornheim ein, „und die nichtlinearen Eigenschaften von warmer dichter Materie werden in den nächsten Jahren sicherlich weiter intensiv erforscht werden”.

Ihre Ergebnisse basieren auf umfangreichen Computer-Simulationen unter Anwendung der quanten­statistischen Pfad-Integral Monte-Carlo Methode (PIMC). Die Grundlagen der Methode legte Richard Feynman bereits in den 1950er Jahren. Dornheim hat in den letzten Jahren erfolgreich verbesserte Algorithmen geschrieben, um Berechnungen effizienter und schneller durchführen zu können. Dennoch, für ihre Studie rechneten Supercomputer auf mehr als 10.000 CPU-Kernen mehr als vierzig Tage. Zum Einsatz kamen dabei die High Performance Cluster Hypnos und Hemera des HZDR, der Cluster Taurus am Zentrum für Informations­dienste und Hochleistungs­rechnen (ZIH) der TU Dresden, Rechner beim Norddeutschen Verbund für Hoch- und Höchst­leistungs­rechnen (HLRN) sowie am Rechen­zentrum der Universität Kiel.

Die Erforschung von warmer dichter Materie ist nicht nur von Bedeutung, um den Aufbau von Planeten wie Jupiter und Saturn oder unseres Sonnen­systems und dessen Entwicklung zu verstehen, sondern findet auch Anwendung in den Material­wissenschaften, zum Beispiel bei der Entwicklung von superharten Materialien. Die wichtigste Rolle könnte sie jedoch für die Energiewirtschaft spielen, indem sie Beiträge liefert für die Realisierung der Trägheits­fusion – eine fast unerschöpfliche und saubere Energie­quelle mit Zukunfts­potential.

HZDR / DE
 

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