As propriedades da matéria são normalmente o resultado de interações complexas entre elétrons. Essas partículas eletricamente carregadas são um dos blocos de construção fundamentais da natureza. Eles são bem pesquisados, e a física teórica determinou a estrutura eletrônica da maioria da matéria. Contudo, o comportamento da matéria sob condições extremas ainda é amplamente inexplicado. Tais condições podem ser encontradas em locais onde prevalecem pressões e temperaturas muito altas, como no interior de estrelas e planetas. Aqui, a matéria existe em um estado exótico na fronteira entre sólidos, líquido e gás. Um grupo de pesquisa da Universidade de Kiel e do Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf desenvolveu agora um novo método para descrever as propriedades dinâmicas desta chamada "matéria densa quente" pela primeira vez. Eles publicaram suas simulações de computador em Cartas de revisão física .

Hoje, matéria densa quente também pode ser produzida experimentalmente em grandes instituições de pesquisa, por exemplo, usando lasers de alta intensidade ou lasers de elétrons livres no European XFEL em Hamburgo e Schleswig-Holstein. Lasers poderosos são usados ​​para comprimir e aquecer a matéria ao extremo. Ele pode então ser examinado com outro laser. Uma medição do chamado espalhamento Thomson de raios-X - em outras palavras, como o feixe de laser é espalhado por elétrons livres - torna possível determinar muitas propriedades da matéria densa quente, como sua condutividade elétrica, ou sua absorção de radiação.

Contudo, isso requer uma compreensão teórica abrangente de matéria densa quente, e em particular, do chamado fator de estrutura dinâmica dos elétrons quentes comprimidos. A data, a ciência não foi capaz de descrever isso de forma confiável e precisa. A interação dos vários fatores que desempenham um papel aqui é muito complexa em temperaturas de até 10 milhões de graus Celsius, e uma densidade geralmente encontrada apenas em sólidos. Além do calor intenso, este estado também inclui as interações de Coulomb, ocorrendo quando dois elétrons carregados negativamente se repelem, bem como numerosos efeitos da mecânica quântica.

A equipe de pesquisa sob a direção de Michael Bonitz, professor de física teórica no CAU, agora alcançou um avanço. Usando simulações complexas realizadas em supercomputadores, eles desenvolveram um método computacional com o qual descreveram com precisão o fator de estrutura dinâmica dos elétrons na matéria densa quente pela primeira vez. Para alcançar isto, eles ampliaram ainda mais suas próprias simulações quânticas de Monte Carlo, desenvolvido nos últimos anos.

"Nossos novos dados fornecem percepções exclusivas, "explicou Bonitz." Notavelmente, já foi mostrado que a descrição exata da repulsão entre cargas negativas resulta em um sinal de espalhamento Thomson significativamente modificado, em particular a uma dispersão de plasmão drasticamente alterada, em comparação com as teorias anteriores. "Essas previsões serão agora verificadas experimentalmente. Os resultados assim obtidos são de extraordinária importância para a interpretação de experimentos de última geração com matéria densa quente, como aqueles que começam em breve no XFEL europeu. Por exemplo, eles podem ser usados ​​para determinar propriedades-chave, como a temperatura dos elétrons ou a velocidade de propagação das ondas que surgem quando a matéria é bombardeada com lasers.