Kieler Physiker erreichen erstmals exakte Simulationen der warmen dichten Materie

Zu sehen ist die Elektronendichte in einer Quanten-Molekular-Dynamik-Simulation von warmer dichter Materie aus Deuterium, einem Isotop des Wasserstoffes, bei einer Dichte von 10g/cm³ und einer Temperatur von 100.000 Grad Celsius.

19.10.2016

Es wird wärmer: Annäherung an unbekannte Materie

Theoretische Modelle, die bisher in der Forschung genutzt wurden, um warme dichte Materie zu beschreiben, lieferten nur unsichere Ergebnisse. Computersimulationen erwiesen sich als so aufwändig, dass sie nur für sehr kleine Systeme aus sehr wenigen Teilchen praktikabel waren. Die Kieler Wissenschaftler wählten einen anderen Ansatz und entwickelten stattdessen zwei einzelne, sich ergänzende Simulationstechniken, mit denen sie sehr viel genauer Daten berechnen können. In einem zweiten Schritt entdeckten sie jetzt eine Lösung, die es ihnen ermöglicht, die Simulationsergebnisse für kleine Systeme sehr genau auf beliebig große Systeme zu übertragen, wodurch erstmals ein direkter Vergleich mit realistischen experimentellen Systemen möglich wird. Die dafür benötigten, aufwändigen Berechnungen erforderten den Einsatz von Supercomputern mit besonders hoher Rechenleistung. „Wenn man alle diese Rechnungen nacheinander auf nur einem Rechner vornehmen würde, müsste dieser 200 Jahre am Stück arbeiten“, so Bonitz. Mit ihren neuen Erkenntnissen liegen nun zum ersten Mal exakte Daten für die thermodynamischen Eigenschaften der Elektronen in warmer dichter Materie vor. Laut Bonitz „ein entscheidender Beitrag für zukünftige Forschungen über warme dichte Materie“.

Vollständige Pressemeldung:
Pressemeldung Nr. 324/2016 vom 11.10.2016 (english)
siehe auch Press Release of Imperial College London

Original-Publikation:
Tobias Dornheim, Simon Groth, Travis Sjostrom, Fionn D. Malone, W.M.C Foulkes and Michael Bonitz
Ab initio Quantum Monte Carlo simulation of the warm dense electron gas in the thermodynamic limit
Physical Review Letters 117, 156403

Eine Animation steht zur Verfügung:
www.lanl.gov/projects/dense-plasma-theory
Copyright: Travis Sjostrom

Details, die nur Millionstel Millimeter groß sind: Damit beschäftigt sich der Forschungsschwerpunkt „Nanowissenschaften und Oberflächenforschung“ (Kiel Nano, Surface and Interface Science – KiNSIS) an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU). Im Nanokosmos herrschen andere, nämlich quantenphysikalische Gesetze als in der makroskopischen Welt. Durch eine intensive interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Materialwissenschaft, Chemie, Physik, Biologie, Elektrotechnik, Informatik, Lebensmitteltechnologie und verschiedenen medizinischen Fächern zielt der Schwerpunkt darauf ab, die Systeme in dieser Dimension zu verstehen und die Erkenntnisse anwendungsbezogen umzusetzen. Molekulare Maschinen, neuartige Sensoren, bionische Materialien, Quantencomputer, fortschrittliche Therapien und vieles mehr können daraus entstehen. Mehr Informationen auf www.kinsis.uni-kiel.de