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Warme dichte Materie im Nichtgleichgewicht

Forschung zu Eigenschaften von Materie, wie sie im Inneren von Planeten oder Sternen vorkommt, erzeugt durch Kurz- oder Langpulslaser, durch Röntgenstrahlen, Ionen oder Elektronenstrahlen, in Diamantstempelzellen oder für die Fusion.

 

 

Struktur von dichter Materie im Nichtgleichgewicht

Struktur eines Elektronengases im Nichtgleichgewicht

Nichtgleichgewichtsprozesse in Materie können durch z.B. durch Lasereinstrahlung angeregt und dann durch die Streuung von Röntgenlaserlicht mit Femtosekundenauflösung gemessen werden. Hier stellen David A. Chapman und ich die theoretischen Methoden dar, mit denen im Nichtgleichgewicht die Streuung von Röntgenstrahlung an Plasmen und warmer dichter Materie beschrieben werden kann. Die Theorie schließt insbesondere Korrelationen und Quanteneffekte für allgemeine Elektronenverteilungsfunktionen ein.

Diamanten aus Plastik unter hohem Druck

Diamant und Wasserstoff

Wenn man eine Plastefolie auf eineinhalb Millionen Bar und 6000K komprimiert, fällt der im Plastik enthaltenen Kohlenstoff aus und gefriert sofort zu Diamanten. Darüber spekuliert haben schon viele Wissenschaftler, eine Gruppe unter Führung von D. Kraus (HZDR) hat diesen Vorgang jetzt in situ beobachtet. Hier wird im Detail darüber berichtet. Es ist wahrscheinlich, daß solch eine Phasenseparation im Inneren der Planeten Uranus und Neptun oder anderer Eisriesen natürlich auftritt. Einige Nachrichtensendungen fanden das ganz toll: CNN, Guardian, Telegraph, The Times, Neue Zürcher Zeitung, Die Welt, Bild der Wissenschaft ...

 

Untersuchungen der Stopping Power nahe dem Bragg Peak in vollständig ionisierten Kohlenstoff-Plasmen 

Stopping Power

Die Abbremsung von Teilchenstrahlen in Materie ist ein sehr interessanter Vorgang, der für medizinische Anwendungen, Materialbearbeitung als auch für die Energieerzeugung durch Kernfusion von Bedeutung ist. Wir (Witold Cayzac und Kollegen) haben in diesem Artikel in Nature Communications gezeigt, welche Prozesse maßgeblich an der Abbremsung von Stickstoffionen in einem vollständig ionisierten Kohlenstoffplasma beteiligt sind. Es ist uns damit zum ersten Mal gelungen, mittels experimentellen Messungen zwischen den Vorhersagen verschiedener Theorien zu unterscheiden und einige Theorien zu falsifizieren.

 

Ionenakustische Moden in warmer dichter Materie und die Born-Oppenheimer Näherung
Struktur von Aluminium 

Ionenakustische Moden in Flüssigkeiten und Plasmen sind das Equivalent zu den Phononen in Festkörpern. Sie spielen bei Energietransferprozessen während Temperaturrelaxationsvorgängen eine entscheidende Rolle, beeinflussen das Abbremsen von schnellen Teilchen und erlauben Rückschlüsse auf die Schallgeschwindigkeit im Medium und auf die Temperatur (über die detaillierte Balance). Ihr theoretisches Verständnis hat Einfluß auf unsere Möglichkeiten, das Röntgen-Streusignal zu interpretieren und neue Materiezustände zu untersuchen. Hier haben wir (P. Mabey und Kollegen aus Oxford, Kollegen von SLAC/SIMES) die Möglichkeiten untersucht, ionenakustische Moden zu simulieren.

 

Electron-Phonon Kopplung, Energietransfer und das Zwei-Temperatur-Modell in lasergeheizten Metallen

Bragg Non-thermal

Laserbestrahlung von Metallen erzeugt Nichtgleichgewichtsgewichtszustände mit heissen Elektronen. Die Relaxation im System und die Kopplung der Elektronen an die Phononen ist ein komplizierter Prozess, der manchmal im Zwei-Temperatur-Modell beschrieben wird. Wir (R. Ernstorfer und Kollegen vom FHI Berlin) fanden jedoch eine bessere Beschreibung, die auch die Nichtgleichgewichtssituation der Phononen einbezieht.

 

Hexagonaler Diamant (Lonsdaleite) gefunden in Schockexperimenten

Schock-komprimierter Kohlenstoff wandelt sich von Graphit in Diamant um. Unter bestimmten Vorraussetzungen kann auch hexagonaler Diamant -Lonsdaleit- entstehen, eine metastabile Phase von Kohlenstoff mit einer Kristallstruktur zwischen Graphit und Diamant. Berechnungen sagen voraus, dass Lonsdaleit härter als Diamant sein soll. Wahrscheinlich wird Lonsdaleite natürlich in Meteoriteneinschlägen generiert. Eine Kollaboration unter Leitung von Dominik Kraus (HZDR, Universität Berkeley) hat entsprechende neue Erkenntnisse gerade publiziert. Hier ist eine schöne Zusammenfassung.

warm dense Diamond   warm dense carbon warm dense Lonsdaleite

Gitter- und Elektronenstruktur in warmem Diamant bei p=130GPa (links), in warmem Lonsdaleite bei p=200GPa (mitte) und in flüssigem Kohlenstoff bei p=150GPa (rechts).

 

Dieses Video zeigt die Ergebnisse einer Kooperation mit SIMES am SLAC in Stanford (USA) in der wir die Struktur von Aluminium im Megabar-Bereich untersuchen.

Wir benutzen Simulationen nach ersten Prinzipien wie Dichtefunktional-Molekulardynamik als auch quantenstatistische Greenfunktionen, um exotische und neuartige Materiezustände im Gleichgewicht und Nichtgleichgewicht und während verschiedener Relaxationsvorgänge zu beschreiben. Wir berechnen Röntgenspektren für Streuexperimente an solchen Materiezuständen.

molecular hydrogen metallic hydrogen warm dense aluminium

 Molekularer Wasserstoff wie in Jupiters Mantel, warmes dichtes Aluminium erzeugt durch laser-generierte Schockwellen, metallischer Wasserstoff in Jupiters Kern.


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