Atomistische Simulationen der Kanalführung und Strahlung der ultrarelativistischen Partikeln in kristallinen Strukturen

• Antragsteller: Professor Dr. Andrey V. Solovyov
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 413220201

Das beantragte Projekt zielt auf eine fortgeschrittene rechnerische Erforschung einer neuartigen Lichtquelle von hochenergetischer (von ca. 100 keV bis zum GeV-Bereich; die entsprechende Wellenlänge kleiner als 0,1 Angström) monochromatischer elektromagnetischer Strahlung mittels eines Kristall-Undulators ab. Diese Erforschung wird auf atomarer Ebene durchgeführt. Der Kristall-Undulator steht für einen orientierten, periodisch gebogenen Kristall, der dem Strahl ultrarelativistischer (bis zu hunderter GeV) Elektronen oder Positronen ausgesetzt ist. Innerhalb der Grenze von hochenergetischen leichten Projektilen (d.h. einige zehn GeV und mehr) sollte die Stabilität der Kristall-Undulator-Strahlung gegen hohe Strahlungsverluste beibehalten werden. Dafür kann eine komplexe kristalline Struktur, ein quasi-periodisch gebogener Kristall, verwendet werden, bei dem Biegeamplitude und Periode mit der Eindringtiefe variiert werden. Ein Forschungsprogramm innerhalb des Projektes vereint Theorie, rechnerische Modellierung und Gestaltung von den kristallinen Strukturen (sowohl idealen als auch imperfekten), der ultrarelativistischen Partikeldynamik unter Berücksichtigung der Wechselwirkung mit Kristallatomen und der Wirkung der Strahlungsdämpfungskraft und den Photonenemissionsprozessen durch geladene Projektile. Es wird ein fortgeschrittener Algorithmus für die Multiskalenmodellierung entwickelt, der eine effiziente Simulation der Partikelausbreitung durch realistische makroskopische kristalline Strukturen sowie die Berechnung der Spektral- und Winkelverteilung der emittierten Strahlung ermöglicht. Die multiskalen Molekulardynamik-Simulationen der Partikelausbreitung und Strahlung in realistischen (imperfekten) Kristallen werden mit modernen numerischen Algorithmen, fortgeschrittenen rechnerischen Anlagen und Computing-Technologien kombiniert. Dies bringt die prädiktive Kraft der Projektergebnisse bis zum Genauigkeitsniveau, das vergleichbar oder sogar höher als experimentell erreichbar ist. Es wird die rechnerische Modellierung in das Instrumentalwerkzeug umwandeln, das teure Laborexperimente ersetzen oder zu einer Alternative werden kann. Damit kann es experimentelle und technologische Kosten reduzieren. Theoretische und rechnerische Ergebnisse, die im Lauf dieses Projektes erzielt werden, werden mit verfügbaren experimentellen Daten verglichen. Dies wird weitere technologische Entwicklungen der Lichtquellen stimulieren. Langfristig kann eine Gammastrahlung-Lichtquelle, die auf Kristall-Undulator basiert, ein Potential haben, kohärente Strahlung (der FEL-Typ) mit Wellenlängen weniger als 1 Angström zu erzeugen, d.h. innerhalb des Wellenlängenbereichs, der mithilfe Lichtquellen, die auf magnetische Undulatoren basiert, nicht erreicht werden kann. Solche Lichtquellen werden viele Anwendungen in den Grundwissenschaften einschließlich der Kern- und Festkörperphysik sowie den Biowissenschaften/Life Sciences finden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen