Les propriétés de la matière sont généralement le résultat d'interactions complexes entre les électrons. Ces particules chargées électriquement sont l'un des éléments constitutifs fondamentaux de la nature. Ils sont bien documentés, et la physique théorique a déterminé la structure électronique de la majorité de la matière. Cependant, le comportement de la matière dans des conditions extrêmes est encore largement inexpliqué. De telles conditions peuvent être trouvées dans des endroits où règnent de très hautes pressions et des températures élevées, comme à l'intérieur des étoiles et des planètes. Ici, la matière existe dans un état exotique à la frontière entre solide, liquide et gazeux. Un groupe de recherche de l'Université de Kiel et du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf a maintenant développé une nouvelle méthode pour décrire pour la première fois les propriétés dynamiques de cette "matière dense chaude". Ils ont publié leurs simulations informatiques dans Lettres d'examen physique .

Aujourd'hui, la matière dense chaude peut également être produite expérimentalement dans de grandes institutions de recherche, par exemple, en utilisant des lasers à haute intensité ou des lasers à électrons libres à l'European XFEL à Hambourg et Schleswig-Holstein. Des lasers puissants sont utilisés pour compresser et chauffer la matière à l'extrême. Il peut ensuite être examiné à l'aide d'un autre laser. Une mesure de la diffusion dite des rayons X Thomson, en d'autres termes, comment le faisceau laser est diffusé par les électrons libres - permet de déterminer de nombreuses propriétés de la matière dense chaude, comme sa conductivité électrique, ou son absorption de rayonnement.

Cependant, cela nécessite une compréhension théorique complète de la matière dense chaude, et en particulier, du facteur de structure dit dynamique des électrons chauds comprimés. À ce jour, la science n'a pas été en mesure de décrire cela de manière fiable et précise. L'interaction des différents facteurs qui jouent ici un rôle est tout simplement trop complexe à des températures allant jusqu'à 10 millions de degrés Celsius, et une densité habituellement trouvée seulement dans les solides. En plus de la chaleur intense, cet état inclut également les interactions de Coulomb, se produisant lorsque deux électrons chargés négativement se repoussent, ainsi que de nombreux effets de la mécanique quantique.

L'équipe de recherche sous la direction de Michael Bonitz, professeur de physique théorique au CAU, a maintenant réalisé une percée. A l'aide de simulations complexes réalisées sur des supercalculateurs, ils ont développé une méthode de calcul avec laquelle ils ont décrit avec précision pour la première fois le facteur de structure dynamique des électrons dans la matière dense chaude. Pour y parvenir, ils ont encore étendu leurs propres simulations quantiques de Monte Carlo, développé ces dernières années.

"Nos nouvelles données fournissent des informations uniques, " expliqua Bonitz. " Remarquablement, il a déjà été montré que la description exacte de la répulsion entre charges négatives se traduit par un signal de diffusion de Thomson sensiblement modifié, en particulier à une dispersion de plasmon radicalement modifiée, par rapport aux théories précédentes." Ces prédictions vont maintenant être vérifiées expérimentalement. Les résultats ainsi obtenus sont d'une importance extraordinaire pour l'interprétation des expériences de pointe avec la matière dense chaude, comme celles qui débutent prochainement au XFEL européen. Par exemple, ils peuvent être utilisés pour déterminer des propriétés clés telles que la température des électrons ou la vitesse de propagation des ondes apparaissant lorsque la matière est bombardée par des lasers.