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Ab-initio-Simulationen von warmer dichter Materie
Mitarbeiter: Martin French, Winfried Lorenzen, Andreas Becker, Kai-Uwe Plagemann, Mandy Bethkenhagen, Daniel Cebulla
- Das Bild stellt einen Blick in eine Simulationszelle mit Wasserstoff (rote Kugeln) und Helium (blaue Kugeln) dar. Die durchscheinenden Farbflächen kennzeichnen jeweils die Isoflächen von gemittelten Ionendichten. Klar zu erkennen ist, dass sich das Helium in einem kleinen Bereich konzentriert. Offensichtlich entmischt das System unter diesen extremen Bedingungen (6000 K, 20 Mbar, 4 g/cm³). Dieser Effekt wurde seit langem vorhergesagt und konnte nun erstmals in einer Simulation "beobachtet" werden.
Ein Schwerpunkt unserer Forschung liegt auf der präzisen Berechnung von thermodynamischen, strukturellen und Transporteigenschaften von Materie unter extremen Bedingungen, wie sie im Innern von astrophysikalischen Objekten vorkommen (etwa 103 - 106 K, 1 GPa - 100 Mbar). Das experimentelle Erzeugen und Analysieren solch extremer Materiezustände ist sehr schwierig. Daher verwenden wir eine numerisch aufwendige, aber sehr schlagkräftige Methode zur theoretischen Behandlung von Vielteilchensystemen mit starken Korrelationen und Quanteneffekten. Wir beschreiben die Elektronen des Systems mithilfe von thermodynamischer Dichtefunktionaltheorie (DFT) und kombinieren dies mit einer klassischen Molekulardynamik (MD) für die Kerne. Die dafür notwendigen Kräfte werden in jedem Zeitschritt selbstkonsistent aus der DFT abgeleitet. Implementiert ist diese Simulationsmethode z.B. im Vienna Ab-Initio Simulationspaket (VASP), das wir in unserer AG meist verwenden. Das Verfahren ist mit einem hohen numerischen Aufwand verbunden, so dass wir routinemäßig leitungsstarke Parallelrechner einsetzen müssen.
Zur Zeit fokussieren wir unsere Rechnungen auf die leichten Elemente Wasserstoff, Helium, Lithium, Beryllium, Bor, Kohlenstoff, auf molekulare Systeme wie Wasser und Ammoniak sowie auf deren Mischungen. Von besonderem Interesse sind Phasentransformationen und Entmischungsvorgänge unter extremen Bedingungen, zu deren Verständnis die Zustandsgleichungen und strukturellen Eigenschaften (Paarverteilungsfunktionen, Strukturfaktoren) berechnet werden. Transporteigenschaften wie die elektrische und Wärmeleitfähigkeit, die Viskosität und die optische Eigenschaften werden ebenfalls bestimmt.
Unsere Ergebnisse werden zum Teil direkt in der AG zur Modellierung des inneren Aufbaus Großer Planeten wie Jupiter und Saturn weiterverarbeitet. Ebenso führen wir Rechnungen zu Stoßwellenexperimenten durch, mit denen sich o.g. extreme Materiezustände im Labor erzeugen und untersuchen lassen. Im Vergleich mit solchen Experimenten hat sich die von uns verwendete Methode als sehr zuverlässig erwiesen. Es folgt eine Auswahl aktueller Arbeiten.
Hier wurde die Entmischung von Wasserstoff und Helium im Mbar-Bereich untersucht, deren Verständnis äußerst wichtig für den Planeten Saturn ist.
Weiterhin haben wir den schon von Landau und Zeldovich 1943 vorhergesagten Plasmaphasenübergang in reinem Wasserstoff berechnet.
Es wurden Formeln für elektronische Transportkoeffizienten abgeleitet und ein umfangreicher Datensatz von Transportgrößen im Wasserstoffplasma erstellt.
Das Hochdruckphasendiagramm von Wasser wurde berechnet. Große Bereiche werden von der superionischen Phase eingenommen.
Eine neue Methode zur Berechnung ionischer Leitfähigkeiten in komplexen Gemischen wurde entwickelt.
Weitere interessante Arbeiten finden sich in der Publikationsliste der AG.
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