Le proprietà della materia sono tipicamente il risultato di complesse interazioni tra elettroni. Queste particelle caricate elettricamente sono uno degli elementi costitutivi fondamentali della natura. Sono ben studiati, e la fisica teorica ha determinato la struttura elettronica della maggior parte della materia. Però, il comportamento della materia in condizioni estreme è ancora in gran parte inspiegabile. Tali condizioni si possono trovare in luoghi dove prevalgono pressioni molto elevate e temperature elevate, come all'interno di stelle e pianeti. Qui, la materia esiste in uno stato esotico al confine tra solido, liquido e gas. Un gruppo di ricerca dell'Università di Kiel e dell'Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf ha sviluppato per la prima volta un nuovo metodo per descrivere le proprietà dinamiche di questa cosiddetta "materia calda e densa". Hanno pubblicato le loro simulazioni al computer in Lettere di revisione fisica .

Oggi, la materia densa calda può anche essere prodotta sperimentalmente in grandi istituti di ricerca, Per esempio, utilizzando laser ad alta intensità o laser a elettroni liberi presso l'XFEL europeo di Amburgo e Schleswig-Holstein. I potenti laser vengono utilizzati per comprimere e riscaldare la materia fino agli estremi. Può quindi essere esaminato utilizzando un altro laser. Una misurazione del cosiddetto scattering di raggi X Thomson, in altre parole, come il raggio laser viene diffuso dagli elettroni liberi, rende possibile determinare molte proprietà della materia densa calda, come la sua conduttività elettrica, o il suo assorbimento di radiazioni.

Però, ciò richiede una comprensione teorica completa della materia densa calda, e in particolare, del cosiddetto fattore di struttura dinamica degli elettroni caldi compressi. Ad oggi, la scienza non è stata in grado di descriverlo in modo affidabile e accurato. L'interazione dei vari fattori che giocano un ruolo qui è troppo complessa a temperature fino a 10 milioni di gradi Celsius, e una densità che di solito si trova solo nei solidi. Oltre al caldo intenso, questo stato include anche le interazioni di Coulomb, si verifica quando due elettroni carichi negativamente si respingono, così come numerosi effetti della meccanica quantistica.

Il gruppo di ricerca sotto la direzione di Michael Bonitz, professore di fisica teorica al CAU, ha ora raggiunto una svolta. Utilizzando complesse simulazioni eseguite su supercomputer, hanno sviluppato un metodo computazionale con il quale hanno descritto con precisione il fattore di struttura dinamica degli elettroni nella materia calda e densa per la prima volta. Per realizzare questo, hanno ulteriormente esteso le proprie simulazioni quantistiche Monte Carlo, sviluppato negli ultimi anni.

"I nostri nuovi dati forniscono approfondimenti unici, " ha spiegato Bonitz. " Sorprendentemente, è già stato dimostrato che l'esatta descrizione della repulsione tra cariche negative risulta in un segnale di diffusione Thomson significativamente modificato, in particolare ad una dispersione plasmonica drasticamente cambiata, rispetto alle teorie precedenti." Queste previsioni saranno ora verificate sperimentalmente. I risultati così ottenuti sono di straordinaria importanza per l'interpretazione degli esperimenti allo stato dell'arte con materia densa calda, come quelli che inizieranno a breve all'XFEL europeo. Per esempio, possono essere utilizzati per determinare proprietà chiave come la temperatura degli elettroni o la velocità di propagazione delle onde che si verificano quando la materia viene bombardata con i laser.