Bisher präziseste Beschreibung hoch angeregter Elektronen gelungen

04.06.2018 - Deutschland

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. 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.

Seit mehr als 60 Jahren versuchen 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 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.