Ab-initio Quantum Monte Carlo Simulationen von Warmer Dichter Materie

• Antragsteller: Professor Dr. Michael Bonitz
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 413245954

Im Zentrum des Projektes stehen die thermodynamischen und Transport-Eigenschaften warmer dichter Materie (WDM) – eines Zustandes im Grenzbereich zwischen Plasma und Festkörper. WDM ist von fundamentaler Bedeutung für astrophysikalische Objekte (Riesenplaneten, Zwergsterne u.a.) aber auch für Materie unter hohem Druck oder hoher Anregung. Präzise Untersuchung WDM wurde in den letzten Jahren durch die Entwicklung von Freien Elektronen-Lasern und moderner Diagnostik möglich. Dies stellt hohe Anforderungen an Theorie und Simulation. Wegen der komplexen Eigenschaften von WDM – starke Korrelationen, elektronische Quanteneffekte, partielle Ionisation, endliche Temperaturen – ist derzeit nur eine qualitative Beschreibung möglich. Große Fortschritte hat der Einsatz von Dichtefunktionaltheorie (DFT) ermöglich, aber DFT erfordert die Kenntnis des Austausch-Korrelationsfunktionals für die freie Energie der Elektronen, fXC , bei endlichen Temperaturen. In der ersten Phase dieses Projektes konnten wir dieses Problem lösen. Wir haben eine neue Pfadintegral(PIMC)-Simulationsmethode – permutation blocking PIMC (PB-PIMC) – entwickelt, mit der es gelungen ist, die thermodynamischen Eigenschaften der Elektronen exakt zu berechnen. Im Fortsetzungsantrag sollen die PB-PIMC-Simulationen weiterentwickelt werden. Es sollen Simulationen im großkanonischen Ensemble entwickelt werden, sowie zusätzliche Observable wie Transporteigenschaften und die Matsubara-Greenfunktion und die Spektralfunktion berechnet werden. Schließlich sollen die Simulationen auf Zweikomponenten-Plasmen wie Wasserstoff im Bereich der WDM erweitert werden. Die erwartete hohe Genauigkeit der Resultate wird es gestatten, bisherige Modelle und Simulationsergebnisse zu testen und zu verbessern sowie präzise Vorhersagen für Experimente zu machen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr. Tobias Dornheim