Elektronen in der Presse

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 elektronische Struktur eines Groß­teils der Materie ist 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 „warmen dichten Materie“ zu beschreiben.

Inzwischen kann warme dichte Materie auch in großen Forschungs­einrichtungen experimentell erzeugt werden, wie zum Beispiel an Hoch­intensitäts­lasern oder freien Elektronen­lasern wie dem European XFEL bei Hamburg. Hierzu werden starke Laser verwendet, die Materie enorm komprimieren und erhitzen können. Mithilfe eines weiteren Lasers wird sie anschließend unter­sucht. Eine Messung der 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 dynamischen Struktur­faktors der komprimierten warmen Elektronen. Diesen zuverlässig und genau zu beschreiben, ist 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 Coulomb-Wechsel­wirkung sowie zahl­reiche quanten­mechanische Effekte.

Den Forschern unter der Leitung von Michael Bonitz, Professor für theoretische Physik an der CAU, ist nun ein Durch­bruch gelungen: Anhand auf­wändiger 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.

CAU / DE

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  T. Dornheim et al.: Ab initio Path Integral Monte Carlo Results for the Dynamic Structure Factor of Correlated Electrons: From the Electron Liquid to Warm Dense Matter, Phys. Rev. Lett. 121, 255001 (2018); DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.255001
• Statistische Physik (M. Bonitz), Christian-Albrechts-Universität Kiel