Gemeinsame Pressemitteilung des European XFEL und des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) vom 19. Juni 2026

Elektronen in warmer dichter Materie verhalten sich anders als erwartet

Studie zeigt: Gängige Modelle sagen kollektive Elektronenschwingungen in warmem dichtem Aluminium falsch voraus

Forschende am European XFEL, am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), an der Universität Rostock und anderen kooperierenden Institutionen haben mittels hochpräziser Experimente nachgewiesen, dass die am häufigsten verwendeten Modelle zum Verhalten von Elektronen in warmer dichter Materie ungenau sind. Warme dichte Materie bezeichnet einen extremen Materiezustand, wie er etwa im Inneren von Planeten oder bei Laserfusionsversuchen auftritt. Sie ist schwierig zu untersuchen und zugleich von entscheidender Bedeutung für zahlreiche Forschungsbereiche. Die Studie wurde in Physical Review Letters veröffentlicht (DOI: 10.1103/86cw-8wm5).

In warmer dichter Materie treten kollektive Schwingungen der Elektronendichte auf, sogenannte Plasmonen.  Sie liefern wichtige Informationen und lassen sich mithilfe von Röntgenlicht beobachten, wobei Streuspektren entstehen – abstrakte Bilder, die von einem Detektor erfasst werden. In vielen Experimenten werden diese Spektren anhand vereinfachter Modelle interpretiert, bei denen von einem gleichförmigen Elektronengas ausgegangen wird. Die neuen Messungen zeigen jedoch, dass diese Modelle bei warmem dichtem Aluminium die Plasmonenergie durchweg um bis zu etwa 25 Prozent (etwa 8 Elektronenvolt) überschätzen und die gemessene Form des Signals nicht vollständig wiedergeben können.

„Unsere Messungen sind präzise genug, um klar zwischen verschiedenen Modellen zu unterscheiden“, sagt Dr. Thomas Preston von European XFEL. „Das ist wichtig, weil diese Modelle weit verbreitet sind, um extreme Zustände von Materie zu untersuchen. Ist das Modell falsch, führt das zu fehlerhaften Rückschlüssen auf die Materialeigenschaften." Das Verhalten der Elektronen bestimmt maßgeblich die Opazität eines Materials, also seine Durchlässigkeit für Strahlung, sowie seine optischen Eigenschaften, die elektrische Leitfähigkeit und den Energietransport.

„Um die komplexe Physik warmer dichter Materie zu erfassen, muss die zugrunde liegende Mikrophysik differenzierter behandelt werden“, erklärt Dr. Zhandos Moldabekov vom HZDR, der den Simulationsteil der Analyse leitete. Das Team zeigte, dass – im Gegensatz zu den einfacheren Modellen – modernste zeitabhängige Dichtefunktionaltheorie-Simulationen die experimentellen Beobachtungen zuverlässig reproduzieren. Diese Methode berechnet exakt, wie Elektronen in der ungeordneten atomaren Struktur der komprimierten Flüssigkeit reagieren. Sie erfordert zwar mehr Rechenressourcen, ist aber in den letzten Jahren immer praktikabler geworden. Die Forschenden argumentieren, dass solche detaillierteren Simulationen notwendig sind, wenn quantitative Genauigkeit gefragt ist, weil die Positionen der Atome in der Flüssigkeit und die Wechselwirkungen zwischen Elektronen und Ionen die Elektronenreaktion unmittelbar beeinflussen.

„Selbst bei Aluminium, das oft als einfaches Metall betrachtet wird, lässt sich die Elektronenreaktion durch zu gleichförmige Modelle nicht gut beschreiben, sobald das Material in diesen extremen Zustandsbereich versetzt wird“, sagt Dmitrii Bespalov, Erstautor der Studie. „Erst wenn wir die tatsächliche ungeordnete Struktur berücksichtigen, stimmen Theorie und Experiment überein.“ Dieser experimentelle Ansatz lässt sich auf andere Materialien und höhere Temperaturen ausweiten, einschließlich Bedingungen, die für das Innere von Planeten und für Brennstoffkapseln bei der Laserfusion relevant sind.

Das Experiment wurde an der Hochenergiedichte-Experimentierstation HED-HIBEF bei European XFEL mithilfe des leistungsstarken Nanosekunden-DiPOLE-Lasers durchgeführt. Der Laser komprimierte eine dünne Aluminiumfolie auf einen Druck von rund 50 Gigapascal (das 500.000-Fache des atmosphärischen Drucks) und eine Temperatur von etwa 7.000 Kelvin (etwa 6.700 Grad Celsius). Bevor die Schockwelle an der Rückseite des Aluminiums ausbrach, wurde die Probe mit ultrakurzen Röntgenpulsen des European XFEL untersucht und das Plasmonensignal aufgezeichnet. Durch den gleichzeitigen Einsatz mehrerer Methoden – Röntgen-Thomson-Streuung, Röntgenbeugung und unabhängige Schockwellen-Diagnostik – konnten die Forschenden die Theorie anhand eines genau definierten experimentellen Zustands überprüfen. Forschende aus mehr als einem Dutzend internationaler Institutionen haben an der Studie mitgewirkt.

Publikation:

D. S. Bespalov et al.: Momentum-Resolved X-Ray Thomson Scattering Benchmark of Electronic-Response Models in Warm Dense Aluminium, in Physical Review Letters, 2026 (DOI: 10.1103/86cw-8wm5).

Weitere Informationen:
Dr. Thomas Preston | Dmitrii Bespalov
European XFEL
E-Mail: thomas.preston@xfel.eu | dmitrii.bespalov@xfel.eu
Tel.: +49 40 8998-6718 |

Dr. Zhandos Moldabekov
Institut für Strahlenphysik am HZDR
Tel.: +49 351 260 3657 | E-Mail: z.moldabekov@hzdr.de

Medienkontakt:
Thomas Reintjes | Communication Officer
European XFEL
Tel.: +49 40 8998-6596 | E-Mail: thomas.reintjes@xfel.eu

Simon Schmitt | Leitung und Pressesprecher
Abteilung Kommunikation und Medien am HZDR
Tel.: +49 351 260 3400 | mobil: +49 175 874 2865 | E-Mail: s.schmitt@hzdr.de