Hochaufgelöste inelastische Röntgenstreuung in warmer dichter Materie

• Antragsteller: Professor Dr. Ronald Redmer; Dr. Ulf Zastrau
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 493108501

In diesem Projekt wird die bisher experimentell nicht zugängliche niederfrequente Dynamik von warmer dichter Materie mit hochaufösender, inelastischer Röntgenstreuung untersucht. Dafür sollen simultan (a) eine experimentelle Plattform am High Energy Density Instrument der European XFEL GmbH in Schenefeld (EuXFEL) und (b) die entsprechenden theoretischen Grundlagen im Rahmen von Dichtefunktionaltheorie-Molekulardynamik-Simulationen (DFT-MD) an der U Rostock entwickelt werden. Mit Al und Fe werden für diese Untersuchungen zwei hochinteressante Materialien gewählt. Al ist als einfaches Metall experimentell und theoretisch gut handhabbar, so dass für den festenund flüssigen Zustand bereits viele Daten für die strukturellen, thermodynamischen, Transport- und optischen Eigenschaften existieren, die hier bis in den Bereich der warmen dichten Materie erweitert werden sollen. Darauf aufbauend soll Fe unter extremen Bedingungen untersucht werden, die für die Geophysik (fester innerer und flüssiger äußerer Erdkern)sowie die Planetenphysik (Aufbau von Super-Erden) relevant sind. Warme dichte Materie ist durch Temperaturen von einigen eV, hohe Dichten (etwa kondensierte Materie und stärker komprimiert) und Drücke (einige Mbar) charakterisiert. Solche Plasmaparameter werden durch Bestrahlung mit intensiven optischem Laserpulsen erzeugt, wozu am EuXFEL ab 2022 der DiPOLE-100X Laser zur Verfügung stehen wird (< 100 J, < 15 ns). Die damit erzeugten transienten, angeregten Zustände werden in Pump-Probe-Experimenten mit brillianten, ultra-kurzen Röntgenpulsen des EuXFEL mit geringer Bandbreite von nur einigen meV untersucht. Da die Experimente am EuXFEL mit einer Repetitionsrate von einigen Hz durchgeführt werden können, erwarten wir Spektren in bisher nicht erreichter Auflösung und Qualität zu messen, die völlig neue Einblicke in die Strukturund Dynamik von warmer dichter Materie, speziell von Al und Fe, erlauben. Die Röntgen-Streuspektren werden parallel dazu mit Ab-initio-Simulationen zum dynamischen Strukturfaktor von Al und Fe im Rahmen der DFT-MD-Methode berechnet. Durch Vergleich mit den experimentellen Daten im Rahmen eines verallgemeinerten hydrodynamischen Modells können die Ionentemperatur, die Schallgeschwindigkeit, die Wärmeleitfähigkeitund Viskosität erstmals direkt unter den extremen Bedingungen von warmer dichter Materie bestimmt werden. Speziell die Ergebnisse zu Fe sind für die Geo- und Planetenphysik grundlegend und werden neue Einblicke in die Prozesse im festen inneren und flüssigen äußeren Erdkern erlauben sowie die Datenbasis für die Beschreibung des Aufbaus und der Evolution von Supererden, einer der am häufigsten vorkommenden Klasse von Exoplaneten, substanziell erweitern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen