Många himmelska föremål som stjärnor eller planeter innehåller materia som utsätts för höga temperaturer och tryck – experter kallar det varm tät materia (WDM). Även om detta tillstånd av materia på jorden bara förekommer i jordens kärna, forskning om WDM är grundläggande för olika framtida områden som ren energi, hårdare material eller en bättre förståelse för solsystem. I en studie som nyligen publicerades i Fysiska granskningsbrev , ett team ledd av fysikern Dr. Tobias Dornheim från Center for Advanced Systems Understanding (CASUS) vid Helmholtz Center Dresden-Rossendorf (HZDR) och alumn från Kiel University (CAU), avslöjar nu att varm tät materia beter sig betydligt annorlunda än vad som antas, vilket ifrågasätter dess tidigare beskrivning.

Att studera det exotiska tillståndet av varm tät materia på jorden, forskare skapar den på konstgjord väg i laboratorier. Detta kan realiseras genom komprimering genom kraftfulla lasrar till exempel vid den europeiska XFEL i Schenefeld nära Hamburg. "Ett prov, som en plast- eller aluminiumfolie, är upplyst med en laserstråle, den värms upp mycket kraftigt och komprimeras sedan av en genererad stötvåg. De resulterande spektra – det vill säga hur provet beter sig under dessa förhållanden – registreras på detektorer och i en omfattning av 10 ^-10 m (1 ångström) kan vi bestämma dess materialegenskaper, " förklarar Dr Jan Vorberger från HZDR, tillägger:"Men viktiga parametrar som temperatur eller densitet kan inte mätas direkt. Därför, teoretiska modeller är av central betydelse för utvärderingen av WDM-experimenten."

Systemet reagerar svagare ju mer det störs

Tobias Dornheim utvecklar sådana simuleringsmodeller för den teoretiska beskrivningen av varm tät materia. Från vad forskarna visste fram till nu, beräkningar har uteslutande baserats på antagandet om en "linjär reaktion". Det betyder, ju mer proverna – så kallade mål – träffas av laserbestrålning, alltså ju starkare elektronerna exciteras i dessa material, desto starkare reagerar de. I sin nya publikation, dock, Dr. Tobias Dornheim från CASUS, Dr Jan Vorberger från HZDR och Prof. Dr Michael Bonitz från CAU visar nu att reaktionen under stark excitation är svagare än väntat. De drar slutsatsen att det är avgörande att ta hänsyn till olinjära effekter. Resultaten har långtgående konsekvenser för tolkningen av experiment med varm tät materia. "Med denna studie har vi lagt grunden för många nya utvecklingar inom teorin om varm tät materia, Dornheim uppskattar, "och en hel del forskning om det ickelinjära elektroniska densitetssvaret för WDM kommer att göras inom de närmaste åren."

Deras resultat är baserade på omfattande datorsimuleringar med den kvantstatistiska path-integral Monte Carlo-metoden (PIMC). Richard Feynman lade grunden till metoden redan på 1950-talet. Under de senaste åren har Dr. Dornheim har framgångsrikt förbättrat algoritmerna för att göra beräkningar effektivare och snabbare. Ändå, för nämnda studie, superdatorer beräknade på mer än 10, 000 CPU-kärnor i mer än 400 dagar. Beräkningarna utfördes vid högpresterande kluster Hypnos och Hemera från HZDR, Taurus-klustret vid Center for Information Services and High Performance Computing (ZIH) vid Dresdens tekniska universitet, datorer på den nordtyska föreningen för högpresterande beräkningar (HLRN) och vid CAU:s datorcenter.

WDM kan spela en viktig roll för energiindustrin

Forskning om varm tät materia är inte bara viktig för att förstå strukturen hos planeter som Jupiter och Saturnus eller vårt solsystem och dess evolution, men tillämpas också inom materialvetenskap, till exempel vid utveckling av superhårda material. Dock, det skulle kunna spela den viktigaste rollen inom energiindustrin genom att bidra till förverkligandet av tröghetsfusion – en nästan outtömlig och ren energikälla med framtida potential.