Neue Erkenntnisse über exotische Materiezustände dank Röntgen-Thomson-Streuung

HAMBURG / MÜNCHEN (IT BOLTWISE) – Die Erforschung von Materie unter extremen Bedingungen hat einen bedeutenden Fortschritt gemacht. Wissenschaftler am European XFEL haben mithilfe der Helmholtz International Beamline for Extreme Fields (HiBEF) neue Einblicke in die Struktur und Eigenschaften von Plasmonen gewonnen.

Die Untersuchung von Materie unter extremen Bedingungen ist eine der größten Herausforderungen der modernen Physik. Solche Bedingungen finden sich nicht nur in astrophysikalischen Objekten wie Sternen, sondern auch bei der Zündung von Brennstoffkapseln in der Trägheitsfusion, die als zukünftige Energiequelle gilt. Mit der HiBEF an der High-Energy-Density-Experimentierstation des European XFEL können diese extremen Zustände simuliert und untersucht werden.

Auf der Erde kennen wir Materie hauptsächlich in festen, flüssigen oder gasförmigen Zuständen. Im Weltraum jedoch tritt häufig Plasma auf, ein heißes, ionisiertes Gas. Bei noch höheren Temperaturen und Dichten, wie sie in Sternen oder bei Meteoriteneinschlägen vorkommen, kann Materie in den Zustand der warmen, dichten Materie übergehen. Dieser Zustand ist zu heiß für die Physik fester Körper und zu dicht für die Plasmaphysik.

Ein Team unter der Leitung von Thomas Preston hat nun die Struktur und Eigenschaften von Plasmonen in Aluminium untersucht. Plasmonen sind kollektive Anregungen von Elektronen, die für die optischen Eigenschaften von Metallen und der warmen, dichten Materie verantwortlich sind. Die Röntgen-Thomson-Streuung ist eine wichtige Methode zur Untersuchung dieser Anregungen. Dabei verlieren einige Röntgenphotonen Energie und Impuls, was mit Spektrometern gemessen werden kann.

Im Gegensatz zu früheren Arbeiten, die eine Auflösung von einigen Elektronenvolt erreichten, hat das Team um Preston ultrahochauflösende Spektren mit einer Auflösung von weniger als hundert Millielektronenvolt aufgenommen. Diese Präzision ermöglichte es, Diskrepanzen zwischen Simulationen und experimentellen Beobachtungen zu beseitigen. Die Methode soll nun für noch höhere Temperaturen und Drücke weiterentwickelt werden.

Thomas Gawne von der Nachwuchsgruppe “Frontiers of Computational Quantum Many-Body Theory” betont die neuen Möglichkeiten, die sich durch diese Forschung eröffnen. Die Kombination aus modernster Theorie und hochmodernen Experimenten am European XFEL bietet der Wissenschaft ungeahnte Möglichkeiten. Diese Fortschritte könnten entscheidend für die Beantwortung vieler Fragen zur Trägheitsfusion und der Erforschung astrophysikalischer Objekte sein.

Die Ergebnisse dieser Forschung wurden in der Fachzeitschrift Physical Review B veröffentlicht. Die Zusammenarbeit mit dem Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf und dem Center for Advanced Systems Understanding war dabei von entscheidender Bedeutung. Die Forscher planen, das Potenzial der Röntgen-Thomson-Streuung auch anderen Gruppen zugänglich zu machen, um gezieltere Experimente zu ermöglichen.