Elektronen in warmer dichter Materie verhalten sich anders als erwartet

Forschende des European XFEL, des HZDR und der Universität Rostock wiesen Modellfehler bei warmer dichter Materie nach. Die etablierten Modelle zur Beschreibung des Elektronenverhaltens erwiesen sich als ungenau. Warme dichte Materie existiert im Inneren von Planeten oder bei Laserfusionsversuchen. Dieser extreme Materiezustand ist experimentell schwer zugänglich, aber wissenschaftlich von zentraler Bedeutung.

In diesem Zustand treten kollektive Schwingungen der Elektronendichte auf. Diese sogenannten Plasmonen werden mittels Röntgenstreuung untersucht. Dabei entstehen charakteristische Streuspektren auf dem Detektor. Bisher interpretierte man diese Spektren meist über vereinfachte Modelle eines gleichförmigen Elektronengases.

Die neuen Messungen an warmem dichtem Aluminium widerlegen diesen Ansatz. Die Standardmodelle überschätzen die Plasmonenergie systematisch um bis zu 25 Prozent (ca. 8 Elektronenvolt). Zudem bilden sie die reale Signalform unvollständig ab.

Relevanz für die Materialanalytik

„Unsere Messungen sind präzise genug, um klar zwischen verschiedenen Modellen zu unterscheiden“, sagt Dr. Thomas Preston. „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 elektronische Verhalten bestimmt fundamentale Materialeigenschaften. Dazu gehören die Opazität, die optischen Eigenschaften, die elektrische Leitfähigkeit und der Energietransport.

Mikrophysikalische Simulation als Lösung

„Um die komplexe Physik warmer dichter Materie zu erfassen, muss die zugrunde liegende Mikrophysik differenzierter behandelt werden“, erklärt Dr. Zhandos Moldabekov. Simulationen mittels zeitabhängiger Dichtefunktionaltheorie (TDDFT) reproduzierten die experimentellen Daten zuverlässig. Diese rechenintensive Methode berücksichtigt die exakte Elektronenreaktion in der ungeordneten atomaren Struktur. Die Positionen der Atome sowie Elektron-Ionen-Wechselwirkungen beeinflussen die Elektronenreaktion direkt. Für quantitative Genauigkeit sind solche detaillierten Simulationen daher zwingend erforderlich.

Berücksichtigung ungeordneter Strukturen

„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. „Erst wenn wir die tatsächliche ungeordnete Struktur berücksichtigen, stimmen Theorie und Experiment überein.“

Dieser analytische Ansatz ist auf andere Materialien und höhere Temperaturen übertragbar. Dies betrifft insbesondere planetare Kernbedingungen und Brennstoffkapseln der Laserfusion.

Experimenteller Aufbau und Diagnostik

Das Experiment erfolgte an der HED-HIBEF-Station des European XFEL. Der Nanosekunden-DiPOLE-Laser komprimierte eine dünne Aluminiumfolie. Dabei wurden ein Druck von 50 Gigapascal und 7.000 Kelvin erzielt. Vor dem Ausbrechen der Schockwelle analysierten ultrakurze Röntgenpulse die Probe. Das Team zeichnete das resultierende Plasmonensignal präzise auf. Durch die Kombination von Röntgen-Thomson-Streuung, Röntgenbeugung und Schockwellen-Diagnostik wurde der Zustand exakt definiert. An der internationalen Studie kollaborierten Forschende aus über einem Dutzend Institutionen.

Quelle

Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (06/2026)