Materiens egenskaper är vanligtvis resultatet av komplexa interaktioner mellan elektroner. Dessa elektriskt laddade partiklar är en av naturens grundläggande byggstenar. De är väl undersökta, och teoretisk fysik har bestämt den elektroniska strukturen för majoriteten av materien. Dock, materiens beteende under extrema förhållanden är fortfarande till stor del oförklarat. Sådana förhållanden kan finnas på platser där mycket högt tryck och höga temperaturer råder, såsom i det inre av stjärnor och planeter. Här, materia existerar i ett exotiskt tillstånd på gränsen mellan fast, vätska och gas. En forskargrupp vid Kiel University och Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf har nu utvecklat en ny metod för att beskriva de dynamiska egenskaperna hos denna så kallade "varma täta materia" för första gången. De har publicerat sina datorsimuleringar i Fysiska granskningsbrev .

I dag, varm tät materia kan också produceras experimentellt i stora forskningsinstitutioner, till exempel, genom att använda högintensiva lasrar eller frielektronlasrar vid Europeiska XFEL i Hamburg och Schleswig-Holstein. Kraftfulla lasrar används för att komprimera och värma upp materien till ytterligheter. Det kan sedan undersökas med en annan laser. En mätning av den så kallade Thomson-röntgenspridningen – med andra ord, hur laserstrålen sprids av fria elektroner - gör det möjligt att bestämma många egenskaper hos varm tät materia, såsom dess elektriska ledningsförmåga, eller dess absorption av strålning.

Dock, detta kräver en omfattande teoretisk förståelse av varm tät materia, och i synnerhet av den så kallade dynamiska strukturfaktorn för de komprimerade heta elektronerna. Hittills, vetenskapen har inte kunnat beskriva detta tillförlitligt och korrekt. Samspelet mellan de olika faktorerna som spelar en roll här är alldeles för komplext vid temperaturer på upp till 10 miljoner grader Celsius, och en densitet som vanligtvis endast finns i fasta ämnen. Förutom den intensiva värmen, detta tillstånd inkluderar också Coulomb-interaktioner, uppstår när två negativt laddade elektroner stöter bort varandra, såväl som många kvantmekaniska effekter.

Forskargruppen under ledning av Michael Bonitz, professor i teoretisk fysik vid CAU, har nu fått ett genombrott. Med hjälp av komplexa simuleringar utförda på superdatorer, de har utvecklat en beräkningsmetod med vilken de exakt beskrev den dynamiska strukturfaktorn hos elektroner i varm tät materia för första gången. För att uppnå detta, de utökade ytterligare sina egna kvant Monte Carlo simuleringar, utvecklats under senare år.

"Vår nya data ger unika insikter, " förklarade Bonitz. "Anmärkningsvärt nog, det har redan visat sig att den exakta beskrivningen av repulsionen mellan negativa laddningar resulterar i en signifikant modifierad Thomson-spridningssignal, i synnerhet till en drastiskt förändrad plasmonspridning, jämfört med tidigare teorier." Dessa förutsägelser kommer nu att kontrolleras experimentellt. De sålunda erhållna resultaten är av utomordentlig betydelse för tolkningen av toppmoderna experiment med varm tät materia, som de som snart börjar på Europeiska XFEL. Till exempel, de kan användas för att bestämma nyckelegenskaper som elektronernas temperatur eller utbredningshastigheten för vågor som uppstår när materia bombarderas med lasrar.