Kollektiv kvanteeffekt:Når elektroner holder sammen

Mange himmellegemer såsom stjerner eller planeter indeholder stof, der er udsat for høje temperaturer og tryk - eksperter kalder det varmt tæt stof (WDM). Selvom denne stoftilstand på jorden kun forekommer i jordens kerne, forskning i WDM er grundlæggende for forskellige fremtidige områder såsom ren energi, hårdere materialer eller en bedre forståelse af solsystemer. I en undersøgelse for nylig offentliggjort i Fysiske anmeldelsesbreve , et hold ledet af fysiker Dr. Tobias Dornheim fra Center for Advanced Systems Understanding (CASUS) ved Helmholtz Center Dresden-Rossendorf (HZDR) og alumne fra Kiel University (CAU), afslører nu, at varmt tæt stof opfører sig betydeligt anderledes end antaget, hvilket sætter spørgsmålstegn ved dens tidligere beskrivelse.

For at studere den eksotiske tilstand af varmt tæt stof på jorden, videnskabsmænd skaber det kunstigt i laboratorier. Dette kan realiseres ved komprimering gennem kraftfulde lasere for eksempel på den europæiske XFEL i Schenefeld nær Hamborg. "En prøve, såsom en plast- eller aluminiumsfolie, er oplyst med en laserstråle, den varmes meget stærkt op og komprimeres derefter af en genereret stødbølge. De resulterende spektre - det betyder, hvordan prøven opfører sig under disse forhold - optages på detektorer og i et omfang på 10 ^-10 m (1 ångstrøm) kan vi bestemme dens materialeegenskaber, "forklarer Dr. Jan Vorberger fra HZDR, tilføjer:"Men vigtige parametre som temperatur eller tæthed kan ikke måles direkte. Derfor, teoretiske modeller er af central betydning for evalueringen af ​​WDM-eksperimenterne."

Systemet reagerer svagere, jo mere det forstyrres

Tobias Dornheim udvikler sådanne simuleringsmodeller til den teoretiske beskrivelse af varmt tæt stof. Fra hvad forskerne vidste indtil nu, beregninger er udelukkende baseret på antagelsen om en "lineær reaktion". Det betyder, jo mere prøverne - såkaldte mål - bliver ramt af laserbestråling, altså jo stærkere elektronerne exciteres i disse materialer, jo stærkere reagerer de. I deres nye publikation, imidlertid, Dr. Tobias Dornheim fra CASUS, Dr. Jan Vorberger fra HZDR og prof. Dr. Michael Bonitz fra CAU viser nu, at under kraftig excitation er reaktionen svagere end forventet. De konkluderer, at det er afgørende at tage højde for ikke-lineære effekter. Resultaterne har vidtrækkende implikationer for fortolkningen af ​​forsøg med varmt tæt stof. "Med denne undersøgelse har vi lagt grundlaget for mange nye udviklinger inden for teorien om varmt tæt stof, "Dornheim vurderer, "og en masse forskning om den ikke-lineære elektroniske tæthedsrespons af WDM vil blive udført inden for de næste år."

Deres resultater er baseret på omfattende computersimuleringer ved hjælp af den kvantestatistiske sti-integrale Monte Carlo-metode (PIMC). Richard Feynman lagde grundlaget for metoden tilbage i 1950'erne. I de seneste år, Dr. Dornheim har med succes forbedret algoritmerne for at gøre beregninger mere effektive og hurtigere. Alligevel, for den nævnte undersøgelse, supercomputere beregnet på mere end 10, 000 CPU-kerner i mere end 400 dage. Beregningerne blev udført på højtydende klynger Hypnos og Hemera i HZDR, Taurus -klyngen på Center for Information Services and High Performance Computing (ZIH) ved det tekniske universitet i Dresden, computere hos den nordtyske forening for højtydende computing (HLRN) og på computercentret i CAU.

WDM kan spille en vigtig rolle for energiindustrien

Forskning i varmt tæt stof er ikke kun vigtigt for at forstå strukturen af ​​planeter som Jupiter og Saturn eller vores solsystem og dets udvikling, men anvendes også i materialevidenskab, for eksempel i udviklingen af ​​superhårde materialer. Imidlertid, det kunne spille den vigtigste rolle i energiindustrien ved at bidrage til realiseringen af ​​inertifusion - en næsten uudtømmelig og ren energikilde med fremtidigt potentiale.