Veel hemellichamen zoals sterren of planeten bevatten materie die wordt blootgesteld aan hoge temperaturen en druk - experts noemen het warme dichte materie (WDM). Hoewel deze toestand van materie op aarde alleen in de kern van de aarde voorkomt, onderzoek naar WDM is van fundamenteel belang voor verschillende toekomstige gebieden zoals schone energie, hardere materialen of een beter begrip van zonnestelsels. In een recent gepubliceerd onderzoek in Fysieke beoordelingsbrieven , een team onder leiding van natuurkundige Dr. Tobias Dornheim van het Center for Advanced Systems Understanding (CASUS) aan het Helmholtz Center Dresden-Rossendorf (HZDR) en alumnus van de Kiel University (CAU), onthult nu dat warme, dichte materie zich significant anders gedraagt ​​dan aangenomen, wat de eerdere beschrijving in twijfel trekt.

Om de exotische staat van warme dichte materie op aarde te bestuderen, wetenschappers maken het kunstmatig in laboratoria. Dit kan worden gerealiseerd door compressie door krachtige lasers, bijvoorbeeld op het Europese XFEL in Schenefeld bij Hamburg. "Een voorbeeld, zoals een plastic of aluminiumfolie, wordt verlicht met een laserstraal, het warmt zeer sterk op en wordt vervolgens samengedrukt door een gegenereerde schokgolf. De resulterende spectra - dat wil zeggen hoe het monster zich onder deze omstandigheden gedraagt ​​- wordt vastgelegd op detectoren en in een bereik van 10 ^-10 m (1 Angstrom) kunnen we de materiaaleigenschappen ervan bepalen, " legt Dr. Jan Vorberger van HZDR uit, toe te voegen:"Echter, belangrijke parameters zoals temperatuur of dichtheid kunnen niet direct worden gemeten. Daarom, theoretische modellen zijn van cruciaal belang voor de evaluatie van de WDM-experimenten."

Systeem reageert zwakker naarmate het wordt verstoord

Tobias Dornheim ontwikkelt dergelijke simulatiemodellen voor de theoretische beschrijving van warme dichte materie. Van wat wetenschappers tot nu toe wisten, berekeningen zijn uitsluitend gebaseerd op de aanname van een "lineaire reactie". Dat betekent, hoe meer de monsters - zogenaamde doelen - worden geraakt door laserstraling, dus hoe sterker de elektronen worden geëxciteerd in deze materialen, hoe sterker ze reageren. In hun nieuwe publicatie echter, Dr. Tobias Dornheim van CASUS, Dr. Jan Vorberger van HZDR en Prof. Dr. Michael Bonitz van CAU laten nu zien dat bij sterke excitatie de reactie zwakker is dan verwacht. Ze concluderen dat het cruciaal is om rekening te houden met niet-lineaire effecten. De resultaten hebben verstrekkende implicaties voor de interpretatie van experimenten met warme, dichte materie. "Met deze studie hebben we de basis gelegd voor veel nieuwe ontwikkelingen in de theorie van warme dichte materie, " schat Dornheim, "en er zal de komende jaren veel onderzoek worden gedaan naar de niet-lineaire elektronische dichtheidsrespons van WDM."

Hun resultaten zijn gebaseerd op uitgebreide computersimulaties met behulp van de kwantumstatistische pad-integraal Monte Carlo-methode (PIMC). Richard Feynman legde in de jaren vijftig de basis van de methode. In recente jaren, Dr. Dornheim heeft met succes de algoritmen verbeterd om berekeningen efficiënter en sneller te maken. Hoe dan ook, voor de genoemde studie, supercomputers berekend op meer dan 10, 000 CPU-cores voor meer dan 400 dagen. De berekeningen zijn uitgevoerd bij de high performance clusters Hypnos en Hemera van de HZDR, het Taurus-cluster bij het Center for Information Services and High Performance Computing (ZIH) van de Technische Universiteit van Dresden, computers bij de Noord-Duitse Vereniging voor High Performance Computing (HLRN) en bij het computercentrum van de CAU.

WDM kan een belangrijke rol spelen voor de energie-industrie

Onderzoek naar warme dichte materie is niet alleen belangrijk voor het begrijpen van de structuur van planeten zoals Jupiter en Saturnus of ons zonnestelsel en zijn evolutie, maar wordt ook toegepast in de materiaalkunde, bijvoorbeeld bij de ontwikkeling van superharde materialen. Echter, het zou de belangrijkste rol kunnen spelen in de energie-industrie door bij te dragen aan de totstandkoming van traagheidsfusie - een bijna onuitputtelijke en schone energiebron met toekomstig potentieel.