De eigenschappen van materie zijn typisch het resultaat van complexe interacties tussen elektronen. Deze elektrisch geladen deeltjes zijn een van de fundamentele bouwstenen van de natuur. Ze zijn goed onderzocht, en theoretische fysica heeft de elektronische structuur van de meeste materie bepaald. Echter, het gedrag van materie onder extreme omstandigheden is nog grotendeels onverklaard. Dergelijke omstandigheden zijn te vinden op plaatsen waar zeer hoge druk en hoge temperaturen heersen, zoals in het binnenste van sterren en planeten. Hier, materie bestaat in een exotische staat op de grens tussen vaste, vloeistof en gas. Een onderzoeksgroep van de Universiteit van Kiel en het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf heeft nu voor het eerst een nieuwe methode ontwikkeld om de dynamische eigenschappen van deze zogenaamde "warme dichte materie" te beschrijven. Ze hebben hun computersimulaties gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .

Vandaag, warme dichte materie kan ook experimenteel worden geproduceerd in grote onderzoeksinstellingen, bijvoorbeeld, door gebruik te maken van lasers met hoge intensiteit of lasers met vrije elektronen op de Europese XFEL in Hamburg en Sleeswijk-Holstein. Krachtige lasers worden gebruikt om de materie tot het uiterste te comprimeren en te verhitten. Het kan dan met een andere laser worden onderzocht. Een meting van de zogenaamde X-ray Thomson-verstrooiing - met andere woorden, hoe de laserstraal wordt verstrooid door vrije elektronen - maakt het mogelijk om veel eigenschappen van warme dichte materie te bepalen, zoals de elektrische geleidbaarheid, of de absorptie van straling.

Echter, dit vereist een uitgebreid theoretisch begrip van warme dichte materie, en vooral, van de zogenaamde dynamische structuurfactor van de gecomprimeerde hete elektronen. Daten, de wetenschap heeft dit niet betrouwbaar en nauwkeurig kunnen beschrijven. Het samenspel van de verschillende factoren die hier een rol spelen is bij temperaturen tot 10 miljoen graden Celsius gewoon te complex, en een dichtheid die gewoonlijk alleen in vaste stoffen wordt aangetroffen. Naast de intense hitte, deze toestand omvat ook Coulomb-interacties, treedt op wanneer twee negatief geladen elektronen elkaar afstoten, evenals talrijke kwantummechanische effecten.

Het onderzoeksteam onder leiding van Michael Bonitz, hoogleraar theoretische natuurkunde aan de CAU, heeft nu een doorbraak bereikt. Met behulp van complexe simulaties uitgevoerd op supercomputers, ze hebben een rekenmethode ontwikkeld waarmee ze voor het eerst de dynamische structuurfactor van elektronen in warme dichte materie nauwkeurig hebben beschreven. Om dit te behalen, ze breidden hun eigen quantum Monte Carlo-simulaties verder uit, de afgelopen jaren ontwikkeld.

"Onze nieuwe data geeft unieke inzichten, " legde Bonitz uit. "Opmerkelijk, er is al aangetoond dat de exacte beschrijving van de afstoting tussen negatieve ladingen resulteert in een aanzienlijk gewijzigd Thomson-verstrooiingssignaal, in het bijzonder tot een drastisch veranderde plasmondispersie, vergeleken met eerdere theorieën." Deze voorspellingen zullen nu experimenteel worden gecontroleerd. De aldus verkregen resultaten zijn van buitengewoon belang voor de interpretatie van state-of-the-art experimenten met warme dichte materie, zoals die binnenkort beginnen bij de Europese XFEL. Bijvoorbeeld, ze kunnen worden gebruikt om belangrijke eigenschappen te bepalen, zoals de temperatuur van de elektronen of de voortplantingssnelheid van golven die ontstaan ​​​​wanneer materie wordt gebombardeerd met lasers.