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Kieler Physiker können Verhalten von Elektronen bei extremen Bedingungen erstmals exakt beschreiben

02.10.2017

Elektronen sind ein elementarer Bestandteil unserer Welt: Sie umgeben den Kern aller Atome, sind essentiell zur Bildung von Molekülen und bestimmen maßgeblich die Eigenschaften von Festkörpern und Flüssigkeiten. Ohne sie als Ladungsträger des elektrischen Stroms wäre unsere hochtechnisierte Umgebung mit Smartphones, Computern und selbst der klassischen Glühbirne nicht denkbar.

Trotz ihrer Allgegenwärtigkeit ließ sich das Verhalten von miteinander wechselwirkenden Elektronen bisher nicht exakt beschreiben. Vor allem bei extremen Dichten wie im Inneren von Planeten oder in Sternen kamen bisher lediglich Näherungsmodelle zum Einsatz.


In der Natur kommt die warme dichte Materie des Elektronengases unter anderem im Inneren von Planeten vor wie hier im Jupiter. Auf der Erde lässt sie sich nur im Labor herstellen zum Beispiel mit einem freien Elektronen-Laser wie am XFEL bei Hamburg.

Foto: NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS/Gabriel Fiset


Die Kieler Physiker Tobias Dornheim, Simon Groth und Professor Michael Bonitz haben ein Simulationsverfahren entwickelt, mit dem sie die Eigenschaften von Elektronen bei endlichen Temperaturen erstmals exakt berechnen können.

Foto: Julia Siekmann

Um genau solchen Bedingungen geht es einem Forschungsteam von Physikern der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU). In Zusammenarbeit mit Kollegen aus den USA und Großbritannien ist es ihnen gelungen, das Verhalten von Elektronen unter diesen extremen Bedingungen durch exakte Simulationen zu beschreiben. Damit lösen die Wissenschaftler ein Problem, das die Physik seit Jahrzehnten beschäftigt. Ihre Erkenntnisse sind in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Physical Review Letters erschienen.

Wie sich Elektronen „im Großen“ verhalten, lässt sich oft einfach beschreiben, zum Beispiel der Zusammenhang zwischen elektrischer Spannung, Widerstand und Stromstärke. Auf mikroskopischer Ebene unterliegt ihr Verhalten jedoch den Gesetzen der Quantenmechanik, was das Lösen komplizierter mathematischer Gleichungen erfordert.

Von besonderer physikalischer Bedeutung ist in diesem Zusammenhang das sogenannte homogene Elektronengas. Hierbei handelt es sich nicht um ein Gas im eigentlichen Sinne, sondern um ein Modell, das wichtige Eigenschaften von Elektronen beschreibt.

Es ist unter anderem wichtig, um Phänomene wie die Supraleitung, also eine elektrische Leitung ohne Widerstand, oder Leitungselektronen in Festkörpern zu verstehen. Außerdem bildet das Modell die Grundlage für die sogenannte Dichtefunktionaltheorie. Sie ist die derzeit meist verbreitete Simulationsmethode in der Physik und der Chemie und wird auch zur Untersuchung von Materialeigenschaften in der Wirtschaft eingesetzt.

Simulationen des Elektronengases waren in der Vergangenheit auf Elektronen im Bereich tiefer Temperaturen beschränkt. In jüngster Zeit wächst jedoch das Interesse an Materie unter extremen Bedingungen – zehntausendmal wärmer als die Raumtemperatur und bis zu hundertmal dichter als gewöhnliche Festkörper.

„Das Verhalten von Elektronen bei endlichen Temperaturen akkurat zu beschreiben, ist ein bisher ungelöstes Problem, das seit Jahrzehnten im Fokus der Wissenschaft steht“, sagt Michael Bonitz, Professor für Theoretische Physik und Leiter des Kieler Forschungsteams. In der Natur kommt diese „warme dichte Materie“ unter anderem im Inneren von Planeten vor sowie im Erdkern.

Im Labor kann sie experimentell erzeugt werden, wenn zum Beispiel ein Festkörper mit einem Hochintensitätslaser oder einem freien Elektronen-Laser wie dem European XFEL bei Hamburg beschossen wird. Warme dichte Materie ist außerdem relevant für die Trägheitsfusion, die zukünftig eine nahezu unbegrenzte Quelle sauberer Energie darstellen könnte.

Um das Verhalten von Elektronen im Bereich der warmen dichten Materie zu beschreiben, kombinierten die Kieler Physiker neue Simulationsverfahren, die an der CAU entwickelt wurden. Frühere Ergebnisse basierten auf verschiedenen Modellen, die zum Teil schwer nachprüfbare Näherungen enthielten. Mithilfe aufwendiger Computersimulationen konnten die Kieler Physiker die komplexen Gleichungen des Elektronengases jetzt jedoch exakt lösen.

In Zusammenarbeit mit Kollegen vom Los Alamos National Laboratory (USA) und dem Imperial College London gelang den Forschern damit die erste vollständige und finale Beschreibung der thermodynamischen Eigenschaften wechselwirkender Elektronen im Bereich der warmen dichten Materie. “Diese Ergebnisse sind die ersten exakten Daten in diesem Bereich und werden unser Verständnis von Materie bei endlicher Temperatur auf eine neue Stufe heben“, erklärt Bonitz.

„Unter anderem können nun erstmals die teils seit 40 Jahren existierenden Modelle überprüft werden. Wir konnten bereits Abweichungen von 10 bis 15 Prozent nachweisen.“ Am Ende ihrer jahrelangen Arbeit stehen jetzt also konkrete Zahlen und Formeln, die wichtig für den Vergleich mit Experimenten sind. Sie werden Eingang in weiterführende Theorien finden und damit auch andere Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in ihren Forschungen weiterbringen, so hoffen die Kieler. 

Original-Publikation:

Ab initio Exchange-Correlation Free Energy of the Uniform Electron Gas at Warm Dense Matter Conditions, Simon Groth, Tobias Dornheim, Travis Sjostrom, Fionn D. Malone, W.M.C. Foulkes, and Michael Bonitz

Physical Review Letters 119, 135001, DOI: 10.1103/PhysRevLett.119.135001, https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.119.135001

Es stehen Fotos zum Download bereit:

www.uni-kiel.de/download/pm/2017/2017-293-1.jpg

Bildunterschrift: Die Kieler Physiker Tobias Dornheim, Simon Groth und Professor Michael Bonitz haben ein Simulationsverfahren entwickelt, mit dem sie die Eigenschaften von Elektronen bei endlichen Temperaturen erstmals exakt berechnen können.

Foto: Julia Siekmann

www.uni-kiel.de/download/pm/2017/2017-293-2.jpg

Bildunterschrift: In der Natur kommt die warme dichte Materie des Elektronengases unter anderem im Inneren von Planeten vor wie hier im Jupiter. Auf der Erde lässt sie sich nur im Labor herstellen zum Beispiel mit einem freien Elektronen-Laser wie am XFEL bei Hamburg.

Foto: NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS/Gabriel Fiset

Kontakt:

Professor Michael Bonitz

Institut für Theoretische Physik und Astrophysik,

Universität Kiel

Tel.: 0431-880-4122

E-Mail: bonitz@theo-physik.uni-kiel.de

Web: www.theo-physik.uni-kiel.de/~bonitz

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.

Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

Presse, Kommunikation und Marketing, Dr. Boris Pawlowski

Postanschrift: D-24098 Kiel, Telefon: (0431) 880-2104, Telefax: (0431) 880-1355

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Link zur Pressemeldung (deutsch): www.uni-kiel.de/pressemeldungen/index.php?pmid=2017-293-elektronen

Link zur Pressemeldung (englisch): www.uni-kiel.de/pressemeldungen/index.php?pmid=2017-293-elektronen&lang=en

Professor Michael Bonitz | Universität Kiel

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