Neues vom Wasserstoff: Erkenntnisse über Planeten und Sterne

Physik-News vom 15.11.2022


Mit einer auf Zufallszahlen basierenden Simulationsmethode konnten Wissenschaftler die Eigenschaften von warmem dichten Wasserstoff so genau wie nie zuvor beschreiben.

Die Eigenschaften von Quantensystemen aus vielen wechselwirkenden Teilchen zu ermitteln ist immer noch eine enorme Herausforderung. Die zugrundeliegenden mathematischen Gleichungen sind seit Langem bekannt. Allerdings sind sie zu komplex, um sie in der Praxis zu lösen. Diese Barriere zu durchbrechen würde höchstwahrscheinlich zu einer Fülle neuer Erkenntnisse und Anwendungen in Physik, Chemie und Materialwissenschaften führen.


Sterne des Universums auf die Erde geholt (Montage): An der Helmholtz International Beamline for Extreme Fields wird warme, dichte Materie im Labor erzeugt, um Himmelskörper zu untersuchen. Jetzt können erstmals zuverlässige Vorhersagen getroffen werden.

Publikation:


Maximilian Böhme, Zhandos A. Moldabekov, Jan Vorberger, and Tobias Dornheim
Static Electronic Density Response of Warm Dense Hydrogen: Ab Initio Path Integral Monte Carlo Simulations
Phys. Rev. Lett. 129, 066402 (2022)

DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.066402



Forschern des Center for Advanced Systems Understanding (CASUS) am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) ist nun ein bedeutender Entwicklungsschritt gelungen: Sie konnten sogenannten warmen, dichten Wasserstoff – Wasserstoff unter extremen Bedingungen, wie etwa hohem Druck – mit bisher unerreichter Genauigkeit beschreiben. Mit ihrem auf Zufallszahlen basierenden Ansatz konnten die Wissenschaftler erstmals die Quantendynamik von Elektronen lösen, die bei der Wechselwirkung vieler Wasserstoffatome zum Beispiel im Inneren von Planeten oder in Fusionsreaktoren auftritt.

Wasserstoff ist das am weitesten verbreitetste Element im Universum. Als Brennstoff befeuert er nicht nur die Sterne und damit auch unsere Sonne, sondern bildet auch das Innere von Planeten wie etwa des Gasriesen Jupiter in unserem Sonnensystem. Die häufigste Form von Wasserstoff im Universum ist weder das farb- und geruchlose Gas noch die auf der Erde bekannten wasserstoffhaltigen Moleküle wie beispielsweise Wasser. Es ist der warme dichte Wasserstoff der Sterne und Planeten – extrem komprimierter Wasserstoff, der in bestimmten Fällen sogar elektrisch leitfähig wird, wie man es von Metallen kennt. Die Forschung im Bereich der warmen dichten Materie basiert auf Untersuchungen unter sehr hohen Temperatur- oder Druckbedingungen, wie sie überall im Universum anzutreffen sind. Auf der Erdoberfläche kommen derartige Umgebungsbedingungen indes nicht vor.

Simulationsmethoden und ihre Grenzen

Bei dem Versuch, die Eigenschaften von Wasserstoff und anderen Stoffen unter extremen Bedingungen zu ergründen, stützt sich die Wissenschaft überwiegend auf Simulationen. Eine weitverbreitete Methode ist die Dichtefunktionaltheorie (DFT). Trotz ihres Erfolgs ist sie für die Beschreibung von warmem dichten Wasserstoff unzureichend. Der Hauptgrund dafür ist, dass korrekte Simulationen genaue Kenntnisse über die Wechselwirkungen von Elektronen in warmem dichten Wasserstoff erfordern. Da dieses Wissen jedoch fehlt, müssen sich die Forschungsteams immer noch auf Näherungswerte für diese Wechselwirkung beschränken. Das führt zu verfälschten Simulationsergebnissen. Aufgrund dieser Wissenslücke ist es zum Beispiel nicht möglich, die Aufheizphase von Trägheitsfusionsreaktionen korrekt zu simulieren. Die Überwindung dieser Hürde könnte die Trägheitsfusion, einen der beiden Hauptzweige der Fusionsenergieforschung, erheblich voranbringen. Fusionsreaktoren könnten sich perspektivisch zu einer relevanten kohlenstofffreien Energieerzeugungstechnologie entwickeln.

In der neuen Publikation zeigen Erstautor Maximilian Böhme, Dr. Zhandos Moldabekov, CASUS-Nachwuchsgruppenleiter Dr. Tobias Dornheim (alle CASUS-HZDR) und Dr. Jan Vorberger (HZDR-Institut für Strahlenphysik) erstmals, dass sich die Eigenschaften von warmem dichten Wasserstoff mit sogenannten Quantum Monte Carlo (QMC)-Simulationen sehr genau beschreiben lassen. „Wir haben eine QMC-Methode namens Path-Integral Monte-Carlo (PIMC) erweitert, um die statische elektronische Dichteantwort von warmem dichten Wasserstoff zu simulieren“, sagt Böhme, der seine Promotion am CASUS vorantreibt. „Unsere Methode verlässt sich nicht mehr auf die Näherungswerte, die frühere Ansätze limitierten. Stattdessen berechnet sie direkt die fundamentale Quantendynamik und ist daher sehr genau. Aufgrund des enormen Rechenaufwands stößt unser Ansatz in Bezug auf den Umfang allerdings an seine Grenzen. Obwohl wir uns auf die derzeit leistungsfähigsten Supercomputer stützen können, sind wir bisher nur in der Lage, Teilchenzahlen im zweistelligen Bereich zu verarbeiten.“

Größerer Umfang – und trotzdem präzise

Die Konsequenzen dieser neuen Methode könnten weitreichend sein: Durch eine geschickte Kombination von PIMC und DFT könnte man sowohl von der Präzision der PIMC-Methode als auch von der Geschwindigkeit und Vielseitigkeit der weitaus weniger rechenaufwendigen DFT-Methode profitieren. „Bisher haben die Fachleute bei ihren DFT-Simulationen noch keine zuverlässigen Näherungen für Elektronenkorrelationen ermitteln können“, sagt Dornheim. „Mit den PIMC-Ergebnissen für sehr wenige Teilchen als Referenz können sie nun die Einstellungen ihrer DFT-Simulationen so lange anpassen, bis die DFT-Ergebnisse mit den PIMC-Ergebnissen übereinstimmen. Mithilfe dieser optimierten DFT-Simulationen sollten wir nun in der Lage sein, exakte Ergebnisse für Systeme mit Hunderten oder sogar Tausenden von Teilchen zu erzielen.“

Mit diesem Ansatz kann die DFT erheblich weiterentwickelt werden, wodurch sich das Verhalten jeglicher Art von Materie oder Material besser simulieren ließe. In der Grundlagenforschung würden damit prädiktive Simulationen möglich, die Forschenden zum Vergleich mit ihren experimentellen Ergebnissen aus Großgeräten wie der European X-Ray Free-Electron Laser Facility (European XFEL) bei Hamburg (Deutschland), der Linac Coherent Light Source (LCLS) am National Accelerator Laboratory in Menlo Park oder der National Ignition Facility (NIF) am Lawrence Livermore National Laboratory in Livermore (beide USA) benötigen.

Die Arbeit von Böhme und seinen Kollegen könnte dazu beitragen, die Umwandlung von warmem dichten Wasserstoff in metallischen Wasserstoff im Detail zu bestimmen. Dieser neue Aggregatzustand von Wasserstoff wird sowohl in Experimenten als auch in Simulationen intensiv untersucht. Die experimentelle Erzeugung von metallischem Wasserstoff im Labor könnte in Zukunft weitere sehr interessante Anwendungen ermöglichen.


Die News der letzten 14 Tage 8 Meldungen

28.11.2022
Elektrodynamik | Festkörperphysik
Wie man Materialien durchschießt, ohne etwas kaputt zu machen
Wenn man geladene Teilchen durch ultradünne Materialschichten schießt, entstehen manchmal spektakuläre Mikro-Explosionen, manchmal bleibt das Material fast unversehrt.
25.11.2022
Sonnensysteme | Astrophysik
Im dynamischen Netz der Sonnenkorona
In der mittleren Korona der Sonne entdeckt ein Forscherteam netzartige, dynamische Plasmastrukturen – und einen wichtigen Hinweis auf den Antrieb des Sonnenwindes.
25.11.2022
Exoplaneten | Astrophysik
Rätselraten um einen jungen Exo-Gasriesen
Eine Foschergruppe hat einen Super-Jupiter um den sonnenähnlichen Stern HD 114082 entdeckt, der mit einem Alter von 15 Millionen Jahren der jüngste Exoplanet seiner Art ist.
24.11.2022
Teilchenphysik | Festkörperphysik | Quantenphysik
Spin-Korrelation zwischen gepaarten Elektronen nachgewiesen
Physiker haben erstmals experimentell belegt, dass es eine negative Korrelation gibt zwischen den beiden Spins eines verschränkten Elektronenpaares aus einem Supraleiter.
23.11.2022
Festkörperphysik | Quantenoptik
Lichtstrahlen beim Erlöschen zusehen
Ein Forschungsteam konnte erstmals messen, wie das Licht eines Leuchtzentrums in einem Nanodraht nach dessen Anregung durch einen Röntgenpuls abklingt.
22.11.2022
Exoplaneten | Teleskope
Weltraumteleskop JWST: Neues von den Atmospären von Exoplaneten
Beobachtungen des Exoplaneten WASP-39b mit dem James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) haben eine Fülle von Informationen über die Atmosphäre des Planeten geliefert.
22.11.2022
Festkörperphysik | Physikdidaktik
Chemielehrbücher: Es gibt keine Kohlensäure - Falsch!
Die Existenz von Kohlensäure war in der Wissenschaft lange umstritten: theoretisch existent, praktisch kaum nachweisbar, denn an der Erdoberfläche zerfällt die Verbindung.

25.02.2019
Quantenphysik

HZDR-Forschern gelingt gezielte Steuerung extrem kurzwelliger Spinwellen
In den vergangenen Jahren kannte die Entwicklung in der elektronischen Datenverarbeitung nur eine Richtung: Die Industrie verkleinerte die Bauteile bis in den Nanometerbereich.
02.10.2019
Elektrodynamik | Festkörperphysik | Quantenphysik

Topologie auf der Spur: ein ultraschnelles Verfahren kitzelt kritische Informationen aus Quantenmaterialien heraus
Topologische Isolatoren sind exotische Quantenmaterialien, die dank einer besonderen elektronischen Struktur entlang ihrer Oberflächen und Kanten elektrischen Strom leiten wie ein Metall.
22.09.2021
Quantenphysik

Quantenkryptographie-Rekord mit höherdimensionalen Photonen
Quantenkryptographie ist eine der erfolgversprechendsten Quantentechnologien unserer Zeit.
31.08.2018
Quantenphysik

Hellste Quelle verschränkter Photonen
Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden (IFW) und der Leibniz Universität Hannover (LUH) haben eine optische Breitbandantenne zur effizienten Aussendung verschränkter Photonen entwickelt.
22.08.2019
Relativitätstheorie | Quantenphysik

Die verschränkte Zeit der Quantengravitation
Die Theorien der Quantenmechanik und der Gravitation sind dafür bekannt, trotz der Bemühungen unzähliger Physiker in den letzten 50 Jahren, miteinander inkompatibel zu sein.
07.05.2020
Quantenphysik | Teilchenphysik

Langlebiges pionisches Helium: exotische Materie erstmals experimentell nachgewiesen
Exotische Atome, in denen Elektronen durch andere subatomare Teilchen gleicher Ladung ersetzt werden, ermöglichen tiefe Einblicke in die Quantenwelt.
22.06.2018
Quantenphysik

Der photoelektrische Effekt in Stereo
Beim photoelektrischen Effekt löst ein Photon ein Elektron aus einem Material heraus.
21.04.2022
Festkörperphysik | Quantenphysik | Teilchenphysik

Das Rätsel ultrakurzer Solitonen-Moleküle
Stabile Pakete von Lichtwellen – sogenannte optische Solitonen – werden in Ultrakurzpuls-Lasern als eine Kette von Lichtblitzen ausgestrahlt.
11.03.2021
Quantenphysik

Roboter lernen schneller mit Quantentechnologie
Künstliche Intelligenz ist Teil unseres modernen Lebens und eine entscheidende Frage für praktische Anwendungen ist, wie schnell solche intelligenten Maschinen lernen können.
26.02.2018
Quantenphysik | Quantenoptik

Auf dem Weg zum Quantencomputer: Weltweit erstes schaltbares Quanten-Metamaterial untersucht
Quantencomputer können eine große Zahl an Rechenoperationen gleichzeitig ausführen.
09.10.2019
Quantenphysik

Physiker verbinden Bauteile von Quantentechnologien
Weltweit tüfteln Forscher an den Bauteilen von Quantentechnologien – dazu gehören Schaltkreise, die Informationen mit Lichtquanten anstatt Elektrizität weitergeben, aber auch Lichtquellen, die einzelne Photonen produzieren.
26.11.2020
Quantenphysik | Teilchenphysik

Das Protonenrätsel geht in die nächste Runde
Physiker am Max-Planck-Institut für Quantenoptik haben die Quantenmechanik mit Hilfe der Wasserstoffspektroskopie einem neuen bis dato unerreichten Test unterzogen und sind der Lösung des bekannten Rätsels um den Protonenladungsradius damit ein gutes Stück nähergekommen.
02.04.2019
Quantenphysik

Detaillierter Blick in die Quantenwelt
Mit einem programmierbaren Quantensimulator konnte ein internationales Forschungsteam die Eigenschaften von verschiedenen Quantenphasenübergängen untersuchen.
23.08.2019
Festkörperphysik | Quantenphysik

Licht-Materie-Wechselwirkung ohne Störeinflüsse
Bestimmte Halbleiterstrukturen, Quantenpunkte genannt, könnten die Basis für eine Quantenkommunikation darstellen.
26.02.2018
Quantenphysik

Fingerabdrücke der Quantenverschränkung
Quantenverschränkung ist ein wesentliches Merkmal eines Quantencomputers. Wie kann man jedoch sicherstellen, dass ein Quantencomputer tatsächlich Verschränkung in großem Umfang aufweist?
18.02.2019
Festkörperphysik | Quantenphysik

Supraleitung: Warum muss es so kalt sein
Bis heute gibt es keine exakte Rechenmethode, um supraleitende Materialien zu beschreiben.
17.03.2022
Festkörperphysik | Quantenphysik

Antiprotonen in Superflüssigkeit: ein neuer Weg für hochsensitive Messungen an Antimaterie
Ein Team von Wissenschaftlern am CERN hat bei hybriden Atomen aus Antimaterie und Materie ein überraschendes Verhalten entdeckt, wenn diese in supraflüssiges Helium eingetaucht werden.
04.11.2019
Atomphysik | Quantenphysik

Gedächtniseffekt auf Einzelatom-Ebene
Eine internationale Forschungsgruppe hat an einem künstlichen Riesenatom neue Quanteneigenschaften beobachtet und ihre Ergebnisse nun im hochrangigen Fachjournal Nature Physics veröffentlicht.
23.05.2018
Astrophysik | Quantenphysik

Matrix-Theorie als Ursprung von Raumzeit und Kosmologie
Die Quantentheorie bildet die Grundlage der modernen Physik.
05.10.2021
Festkörperphysik | Quantenphysik

Neue Art von Magnetismus in Kult-Material entdeckt
Ein internationales Wissenschaftsteam macht eine wegweisende Entdeckung in Strontiumruthenat.
10.07.2019
Relativitätstheorie | Quantenphysik

Mögliche Verbindung zwischen Quantenphysik und Raumzeit entdeckt
Quantenphysiker/innen der Österreichischen Akademie der Wissenschaften und der Universität Wien konnten belegen, dass das quantenphysikalische Flächengesetz auch in der von Einstein beschriebenen Raumzeit gültig ist, also unter Einbeziehung der Dimension der Zeit.
31.03.2020
Quantenphysik | Teilchenphysik

Neuer Quantenzustand nachgewiesen
Einem Team von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus Braunschweig, Korea und Frankreich gelang es, einen neuartigen Quantenzustand zu erzeugen und nachzuweisen.
02.11.2018
Quantenphysik | Quantenoptik

Komplexer Quantenteleportation einen Schritt näher
Für zukünftige Technologien wie Quantencomputer und Quantenverschlüsselung ist die experimentelle Beherrschung von komplexen Quantensystemen unumgänglich.
27.07.2021
Quantenphysik | Thermodynamik

Der Quantenkühlschrank
An der TU Wien wurde ein völlig neues Kühlkonzept erfunden.
20.08.2018
Astrophysik | Quantenphysik

Quantenverschränkung erstmals mit Licht von Quasaren bestätigt
Quantenphysikern um Anton Zeilinger von der Österreichischen Akademie der Wissenschaften und der Universität Wien gelang mithilfe von bis zu 12 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernten Quasaren der erfolgreiche Nachweis der Quantenverschränkung.
23.09.2019
Quantenphysik

2.000 Atome an zwei Orten gleichzeitig
Das Prinzip der Quantenüberlagerung wurde in einer neuen Studie von Wissenschaftlern der Universität Wien in Zusammenarbeit mit der Universität Basel, in einem bisher unerreichten Maßstab getestet.
06.02.2019
Quantenphysik

Was wäre, wenn Schrödingers tote Katze sich mit einer lebendigen überlagerte
Wie schon Hamlet feststellte, können in einer klassischen Welt Dinge entweder Sein oder Nichtsein.
27.03.2019
Festkörperphysik | Quantenphysik

Bloß kleine Wellen schlagen: Forscherteam erzeugt ultrakurze Spinwellen in einem einfachen Material
Die Spintronik gilt als vielversprechendes Konzept für die Elektronik der Zukunft.
23.05.2019
Teilchenphysik | Quantenphysik

Geometrie eines Elektrons erstmals bestimmt
Physiker am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) konnten riesige zweiatomige Moleküle erzeugen und mit einem hochaufgelösten Mikroskop direkt abbilden.
14.06.2019
Quantenphysik

Unsterbliche Quantenteilchen: Der Zyklus von Zerfall und Wiedergeburt
In der makroskopischen Welt ist der Zerfall unerbittlich: Zerbrochene Gegenstände fügen sich nicht von selbst wieder zusammen.
20.01.2021
Quantenphysik | Teilchenphysik

Einzelnes Ion durch ein Bose-Einstein-Kondensat gelotst.
Transportprozesse in Materie geben immer noch viele Rätsel auf.
15.06.2021
Festkörperphysik | Quantenphysik | Teilchenphysik

Das Elektronenkarussell
Die Photoemission ist eine Eigenschaft unter anderem von Metallen, die Elektronen aussenden, wenn sie mit Licht bestrahlt werden.
31.07.2018
Quantenphysik | Teilchenphysik

Licht ins Dunkel der Vielteilchenverschränkung
Die Quantenverschränkung von zwei Teilchen ist heute gut verstanden.
18.11.2015
Quantenphysik | Quantenoptik

Qualitätskontrolle für Quantensimulatoren
Wissenschaftler der FU Berlin, der Universidade Federal do Rio de Janeiro und des MPQ entwickeln neues Verfahren für die Zertifizierung photonischer Quantensimulatoren.
30.06.2017
Astrophysik | Elektrodynamik | Quantenphysik | Teilchenphysik

Atom- und Molekülspektren im extremen Magnetfeld von Weißen Zwergen werden berechenbar
Neue quantenchemische Methode schafft Grundlagen zur Identifikation von Atomen und Molekülen im Magnetfeld von Weißen Zwergen.
01.05.2020
Festkörperphysik | Quantenphysik

Der richtige Abstand für eine ideale Beziehung
Regensburger Physiker maßschneidern die Bindung von Elektron-Loch-Paaren in atomar dünnen Kristallen und erleichtern damit die Suche nach neuen Quantenmaterialien.
18.02.2021
Quantenphysik | Teilchenphysik

Mit schwingenden Molekülen die Welleneigenschaften von Materie überprüfen
Forschende haben mit einem neuartigen, hochpräzisen laser-spektroskopischen Experiment die innere Schwingung des einfachsten Moleküls vermessen.
03.09.2020
Quantenphysik

Quantensicher kommunizieren mit acht Freunden
In Bristol haben Forscher in Kooperation mit der Österreichischen Akademie der Wissenschaften ein Netzwerk aufgebaut, das quantenverschlüsselte Kommunikation zwischen acht Teilnehmern erlaubt.
10.10.2019
Atomphysik | Quantenphysik

Molekülarchitekturen aus Atomen modelliert – neuer Vorschlag zur analogen Simulation von Quantenchemie
Ein globales Team an Wissenschaftlern entwickelt die erste Blaupause zur exakten Berechnung molekularer Chemie mittels eines analogen Quantensimulators.
30.06.2017
Astrophysik | Quantenphysik | Relativitätstheorie

Einsteins Äquivalenzprinzip besteht einen echten Quantentest
Einsteins Äquivalenzprinzip ist für das Verständnis der Gravitation und der relativistischen Raumzeit von fundamentaler Bedeutung.
11.05.2022
Quantenphysik | Teilchenphysik

Ein Teilchen auf zwei Wegen: Die Quantenphysik hat recht
Ein alter „Schönheitsfehler“ des berühmten Doppelspaltexperiments konnte an der TU Wien in einer Kooperation mit der Hiroshima University nun korrigiert werden: Ein einzelnes Neutron bewegt sich in eindeutig quantifizierbaren Anteilen auf zwei Wegen gleichzeitig.
23.04.2019
Atomphysik | Quantenphysik

Quantenmaterie fest und supraflüssig zugleich
Forscher um Francesca Ferlaino an der Universität Innsbruck und an der Österreichischen Akademie der Wissenschaften haben in dipolaren Quantengasen aus Erbium- und Dysprosiumatomen suprasolide Zustände beobachtet.
03.09.2019
Teilchenphysik | Quantenphysik

Ein neues Alphabet zum Schreiben und Lesen von Quantennachrichten mit sehr schnellen Teilchen
Quanteninformation beruht auf der Möglichkeit, Nachrichten in ein Quantenteilchen zu schreiben und zuverlässig auszulesen.
08.10.2018
Astrophysik | Quantenphysik

Stringtheorie: Ist Dunkle Energie überhaupt erlaubt?
Eine neue Vermutung scheint die Stringtheorie aus den Angeln zu heben.
09.11.2018
Quantenphysik

Wenn sich unterschiedliche Systeme gleich verhalten
Unterschiedliche physikalische Systeme – in sich abgeschlossen und fern des Gleichgewichts – können sich vergleichbar verhalten.
22.06.2018
Quantenphysik

Quantenwelt: Informationsaustausch braucht Zeit
Bis sich Zustandsinformationen in einem Vielteilchensystem ausbreiten, vergeht Zeit.
02.03.2020
Atomphysik | Teilchenphysik | Quantenphysik

Rechts, links, Bananenflanke: Mit chiralem Licht die Elektronenkrümmung in atomaren Schichten messen
Ein internationales Forschungsteam aus der Schweiz, Deutschland und den USA hat gezeigt, dass die Berry-Krümmung – eine wichtige Eigenschaft von Quantenmaterialien – mit chiralem Licht abgebildet werden kann.
25.05.2021
Quantenphysik | Thermodynamik

Neues Quantenmaterial entdeckt
Auf eine überraschende Form von „Quantenkritikalität“ stieß ein Forschungsteam der TU Wien gemeinsam mit US-Forschungsinstituten.
28.11.2019
Quantenphysik

Weniger Rauschen im Quantennetz
Physiker/innen der Österreichischen Akademie der Wissenschaften ist es gelungen, die Verschränkung von Quanten robuster zu machen.
09.09.2020
Quantenphysik

Neue Methode schützt Quantencomputer vor Ausfällen
Quanteninformation ist fragil, weshalb Quantencomputer in der Lage sein müssen, Fehler zu korrigieren. Was aber, wenn ganze Qubits verloren gehen?