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Kieler Physikern gelingt die bisher präziseste Beschreibung hoch angeregter Elektronen

30.05.2018

Es ist die Drosophila der modernen Physik: das homogene Elektronengas. So wie die Fruchtfliege als Modellorganismus unter anderem dafür genutzt wird, die Prinzipien der Genetik zu beschreiben, lassen sich mit diesem Modell eines Gases wichtige Eigenschaften von Elektronen erforschen. Einem Forschungsteam vom Institut für Theoretischen Physik und Astrophysik der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) ist es nach mehreren Jahren Arbeit gelungen, das Verhalten von Elektronen unter extremen Bedingungen genau zu beschreiben.

Es ist die Drosophila der modernen Physik: das homogene Elektronengas. So wie die Fruchtfliege als Modellorganismus unter anderem dafür genutzt wird, die Prinzipien der Genetik zu beschreiben, lassen sich mit diesem Modell eines Gases wichtige Eigenschaften von Elektronen erforschen.


Die Kieler Physiker Dr. Tobias Dornheim, Dr. Simon Groth und Professor Michael Bonitz haben zwei Simulationsverfahren entwickelt, mit deren Kombination sie die bisher genauesten thermodynamischen Daten hochangeregter Elektronen erzielen konnten.

Foto: Julia Siekmann

Das auch "Jellium" genannte Modell beschreibt das Verhalten von Elektronen in Metallen, in Molekülen sowie in Clustern von Atomen. Elektronen bestimmen aber auch das Verhalten von Sternen und Planeten oder auch die Struktur des Erdkerns. Dort sind sie extremen Bedingungen ausgesetzt, wie Temperaturen von einigen Tausend bis Millionen Grad Celsius oder Drücken, die Elektronen bis zu tausendmal stärker komprimieren als in Metallen.

Ähnlich extreme Bedingungen werden inzwischen auch in einigen Laboren erzeugt: Mit Hilfe von Hochintensitätslasern oder Freien-Elektronen-Lasern, wie etwa dem XFEL am Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY in Hamburg, werden unterschiedliche Materialien untersucht, nachdem sie erhitzt, komprimiert oder stark angeregt wurden.

Einem Forschungsteam vom Institut für Theoretischen Physik und Astrophysik der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) ist es nach mehreren Jahren Arbeit gelungen, das Verhalten von Elektronen unter extremen Bedingungen genau zu beschreiben. Ihre Ergebnisse fassten sie in einem Artikel der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift Physics Reports zusammen.

Seit mehr als 60 Jahren versuchen Physikerinnen und Physiker weltweit, das Verhalten von Elektronen zu verstehen und vorherzusagen. Sie entwickelten eine Vielzahl unterschiedlicher Modelle für das homogene Elektronengas, die Eingang gefunden haben in komplexere Theorien, wie etwa die sogenannte Dichtefunktionaltheorie. Sie hat sich inzwischen als Grundlage der Beschreibung von Atomen, Molekülen und Festkörpern etabliert. Die Genauigkeit der ihr zugrunde liegenden Modelle war allerdings lange Zeit unklar.

In den letzten fünf Jahren hat ein Team um Prof. Michael Bonitz, in Zusammenarbeit mit Kollegen vom Imperial College London (Großbritannien) und vom Los Alamos National Laboratory (USA) hier einen Durchbruch erzielt. Sie entwickelten zwei neue Computersimulationsverfahren, deren Kombination es ermöglicht, das Verhalten der Elektronen für alle relevanten Bedingungen exakt vorherzusagen.

Mit diesen sogenannten Quanten-Monte-Carlo-Simulationen aus der Stochastik lassen sich hochdimensionale komplexe Probleme mithilfe der Wahrscheinlichkeitstheorie numerisch lösen. „Unsere Ergebnisse sind die ersten exakten Daten für die thermodynamischen Eigenschaften von Elektronen unter extremen Bedingungen. Damit lassen sich jetzt auch die schon existierenden Modelle zum ersten Mal überprüfen und verbessern“, so Bonitz‘ Ausblick.

Die berechneten Daten stehen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern weltweit über das Programm „LDA_XC_GDSMFB“ zur Verfügung, das in die Programmbibliothek „libxc“ aufgenommen wurde. Die dort gesammelten Funktionen der Dichtefunktionaltheorie sind frei zugänglich.

Originalartikel:
Tobias Dornheim, Simon Groth, and Michael Bonitz (2018), The Uniform Electron Gas at Warm Dense Matter Conditions, Physics Reports, 744, 1-68,
https://doi.org/10.1016/j.physrep.2018.04.001

Weiterführende Informationen (in Englisch):
http://www.uni-kiel.de/download/pm/2018/2018-161-Elektronengas.pdf

Bildmaterial steht zum Download bereit:
http://www.uni-kiel.de/download/pm/2018/2018-161-1.jpg
Unterschrift: Die Kieler Physiker Dr. Tobias Dornheim, Dr. Simon Groth und Professor Michael Bonitz haben zwei Simulationsverfahren entwickelt, mit deren Kombination sie die bisher genauesten thermodynamischen Daten hochangeregter Elektronen erzielen konnten.
Foto: Julia Siekmann

Kontakt:
Professor Michael Bonitz
Institut für Theoretische Physik und Astrophysik,
Universität Kiel
Tel.: 0431-880-4122
E-Mail: bonitz@theo-physik.uni-kiel.de
http://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 Physik, Chemie, Ingenieurwissenschaften und Life Sciences 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
http://www.kinsis.uni-kiel.de

Weitere Informationen:

http://www.uni-kiel.de/de/universitaet/detailansicht/n/kieler-physikern-gelingt-...

Dr. Boris Pawlowski | Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

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