Configuration Path integral Monte Carlo approach to thermodynamical properties of dense plasmas
Final Report Abstract
Dieses Projekt war der theoretischen Untersuchung sogenannter “Warmer Dichter Materie” (WDM) – stark komprimierte Materie im Grenzbereich zwischen Festkörperund Plasma-Phase – gewidmet. Diese Systeme sind derzeit von hohem Interesse für astrophysikalische Anwendungen (Riesenplaneten, Zwergsterne u.a.) sowie für Laborexperimente an Freien Elektronenlasern aber auch im Zuammenhang mit der Inertialfusion. Während die experimentellen Untersuchungen auf diesem Gebiet in den letzten 10 Jahren große Fortschritte gemacht haben, gibt es nach wie vor große Lücken in der theoretischen Beschreibung der WDM. Das ist darin begründet, dass Korrelations- und Quanteneffekte der Elektronen, endliche Temperaturen und Phasenübergänge selbstkonsistent berücksichtigt werden müssen, wobei häufig keine kleinen Parameter existieren, die für die Entwicklung von Näherungslösungen benutzt werden können. Aus diesem Grund existierten zu Beginn der Projektphase eine Vielzahl unterschiedlicher konkurrierender Modelle und Approximationen, sowie Simulationen, die meistens auf Dichtefunktionaltheorie (DFT) basierten, deren Genauigkeit und Gültigkeitsbereich allerdings weitgehend unklar waren. Die Situation ist nach Abschluss unseres Projektes eine völlig andere: auf Grundlage der von uns neu entwickelten Quanten-Monte Carlo-Verfahren liegen nun erstmals exakte thermodynamische Daten für die Elektronenkomponente im gesamten WDM-Bereich vor – das heißt, Daten, deren Genauigkeit nur durch statistische Fehler begrenzt ist. Dies bedeutet einen wichtigen Durchbruch für das Gebiet der WDM, der völlig überraschend ist. Unsere Daten dienen jetzt als Grundlage zum Testen und zur Weiterentwicklung bisheriger Modelle. Darüber hinaus haben sie bereits Eingang gefunden in die Standard-DFT-Bibliotheken, so dass sie für komplexere Simulationen zur Verfügung stehen. Neben unseren akuraten Daten für thermodynamische Größen haben wir in diesem Projekt auch neue Verfahren zur Gewinnung von ab initio-Daten für dynamische (frequenzabhängige) Größen entwickelt. Diese Ergebnisse haben ein großes Potential für künftige Theorie-Entwicklungen und für den Vergleich mit Experimenten. Darauf konzentrieren sich unsere weiterführenden Aktivitäten.
Publications
- “Ab initio quantum Monte Carlo simulations of the uniform electron gas without fixed nodes: The unpolarized Case”, Phys. Rev. B 93, 205134 (2016)
T. Dornheim, S. Groth, T. Schoof, and M. Bonitz
(See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevB.93.205134) - “Ab initio thermodynamic results for the degenerate electron gas at finite temperature”, Phys. Rev. Lett. 117, 156403 (2016)
T. Dornheim, S. Groth, T. Sjostrom, F.D. Malone, W.M.C. Foulkes, and M. Bonitz
(See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.115.130402) - “Ab initio Exchange-Correlation Free Energy of the Uniform Electron Gas at Warm Dense Matter Conditions”, Phys. Rev. Lett. 119, 135001 (2017)
S. Groth, T. Dornheim, T. Sjostrom, F.D. Malone, W.M.C. Foulkes, and M. Bonitz
(See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.119.135001) - “Ab initio Quantum Monte Carlo simulation of the warm dense electron gas”, Phys. Plasmas 24, 056303 (2017)
T. Dornheim, S. Groth, T. Sjostrom, F. D. Malone, T. Schoof, W.M.C. Foulkes, and M. Bonitz
(See online at https://doi.org/10.1063/1.4977920) - “Ab initio results for the static structure factor of the warm dense electron gas”, Contrib. Plasma Phys. 57, 468 (2017)
T. Dornheim, S. Groth, and M. Bonitz
(See online at https://doi.org/10.1002/ctpp.201700096) - “Configuration Path Integral Monte Carlo approach to the Static Density Response of the Warm Dense Electron Gas”, J. Chem. Phys. 147, 164108 (2017)
S. Groth, T. Dornheim, and M. Bonitz
(See online at https://doi.org/10.1063/1.4999907) - “Permutation Blocking Path Integral Monte Carlo approach to the Static Density Response of the Warm Dense Electron Gas”, Phys. Rev. E 96, 023203 (2017)
T. Dornheim, S. Groth, J. Vorberger, and M. Bonitz
(See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevE.96.023203) - “Ab initio Path Integral Monte Carlo Results for the Dynamic Structure Factor of Correlated Electrons: From the Electron Liquid to Warm Dense Matter”, Phys. Rev. Lett. 121, 255001 (2018)
T. Dornheim, S. Groth, J. Vorberger, and M. Bonitz
(See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.121.255001) - “Structural characteristics of strongly coupled ions in a dense quantum plasma”, Phys. Rev. E 98, 023207 (2018)
Zh. Moldabekov, S. Groth, T. Dornheim, H. Kählert, M. Bonitz, and T.S. Ramazanov
(See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevE.98.023207) - “The uniform electron gas at warm dense matter conditions”, Phys. Reports 744, 1-86 (2018)
T. Dornheim, S. Groth, and M. Bonitz
(See online at https://doi.org/10.1016/j.physrep.2018.04.001)
