Unik indsigt i en eksotisk materietilstand

Materiens egenskaber er typisk resultatet af komplekse vekselvirkninger mellem elektroner. Disse elektrisk ladede partikler er en af ​​naturens grundlæggende byggesten. De er godt undersøgt, og teoretisk fysik har bestemt den elektroniske struktur af størstedelen af ​​stof. Imidlertid, stofs adfærd under ekstreme forhold er stadig stort set uforklaret. Sådanne forhold kan findes på steder, hvor der hersker meget højt tryk og høje temperaturer, såsom i det indre af stjerner og planeter. Her, stof eksisterer i en eksotisk tilstand på grænsen mellem fast, væske og gas. En forskergruppe ved Kiel Universitet og Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf har nu udviklet en ny metode til at beskrive de dynamiske egenskaber af dette såkaldte "varme tætte stof" for første gang. De har udgivet deres computersimuleringer i Fysisk gennemgangsbreve .

I dag, varmt tæt stof kan også fremstilles eksperimentelt i store forskningsinstitutioner, for eksempel, ved at bruge højintensive lasere eller frielektronlasere ved det europæiske XFEL i Hamborg og Slesvig-Holsten. Kraftige lasere bruges til at komprimere og opvarme stoffet til ekstremer. Det kan derefter undersøges ved hjælp af en anden laser. En måling af den såkaldte X-ray Thomson spredning – med andre ord, hvordan laserstrålen spredes af frie elektroner - gør det muligt at bestemme mange egenskaber af varmt tæt stof, såsom dens elektriske ledningsevne, eller dets absorption af stråling.

Imidlertid, dette kræver en omfattende teoretisk forståelse af varmt tæt stof, og især, af den såkaldte dynamiske strukturfaktor for de komprimerede varme elektroner. Til dato, videnskaben har ikke været i stand til at beskrive dette pålideligt og præcist. Samspillet mellem de forskellige faktorer, der spiller en rolle her, er bare for komplekst ved temperaturer på op til 10 millioner grader Celsius, og en massefylde, der normalt kun findes i faste stoffer. Ud over den intense varme, denne tilstand inkluderer også Coulomb-interaktioner, opstår når to negativt ladede elektroner frastøder hinanden, samt talrige kvantemekaniske effekter.

Forskerholdet under ledelse af Michael Bonitz, professor i teoretisk fysik ved CAU, har nu fået et gennembrud. Ved hjælp af komplekse simuleringer udført på supercomputere, de har udviklet en beregningsmetode, hvormed de for første gang præcist beskrev elektronernes dynamiske strukturfaktor i varmt tæt stof. For at opnå dette, de udvidede deres egne kvante Monte Carlo simuleringer yderligere, udviklet i de senere år.

"Vores nye data giver unik indsigt, " forklarede Bonitz. "Bemærkelsesværdigt, det er allerede blevet vist, at den nøjagtige beskrivelse af frastødningen mellem negative ladninger resulterer i et signifikant modificeret Thomson-spredningssignal, især til en drastisk ændret plasmondispersion, sammenlignet med tidligere teorier." Disse forudsigelser vil nu blive kontrolleret eksperimentelt. De således opnåede resultater er af ekstraordinær betydning for fortolkningen af ​​state-of-the-art eksperimenter med varmt tæt stof, som dem, der snart begynder på den europæiske XFEL. For eksempel, de kan bruges til at bestemme nøgleegenskaber såsom elektronernes temperatur eller udbredelseshastigheden af ​​bølger, der opstår, når stof bombarderes med lasere.