Las propiedades de la materia suelen ser el resultado de interacciones complejas entre electrones. Estas partículas cargadas eléctricamente son uno de los componentes fundamentales de la naturaleza. Están bien investigados, y la física teórica ha determinado la estructura electrónica de la mayor parte de la materia. Sin embargo, el comportamiento de la materia en condiciones extremas aún no se ha explicado en gran medida. Tales condiciones se pueden encontrar en lugares donde prevalecen muy altas presiones y altas temperaturas, como en el interior de estrellas y planetas. Aquí, La materia existe en un estado exótico en la frontera entre sólidos, líquido y gas. Un grupo de investigación de la Universidad de Kiel y el Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf ha desarrollado ahora un nuevo método para describir las propiedades dinámicas de esta llamada "materia densa caliente" por primera vez. Han publicado sus simulaciones por ordenador en Cartas de revisión física .

Hoy dia, La materia densa cálida también se puede producir experimentalmente en grandes instituciones de investigación, por ejemplo, mediante el uso de láseres de alta intensidad o láseres de electrones libres en el XFEL europeo en Hamburgo y Schleswig-Holstein. Se utilizan potentes láseres para comprimir y calentar la materia a extremos. Luego se puede examinar con otro láser. Una medida de la llamada dispersión de Thomson de rayos X, en otras palabras, cómo el rayo láser se dispersa por electrones libres:permite determinar muchas propiedades de la materia densa cálida, como su conductividad eléctrica, o su absorción de radiación.

Sin embargo, esto requiere una comprensión teórica completa de la materia densa cálida, y en particular, del llamado factor de estructura dinámica de los electrones calientes comprimidos. Hasta la fecha, la ciencia no ha podido describir esto de manera confiable y precisa. La interacción de los diversos factores que juegan un papel aquí es demasiado compleja a temperaturas de hasta 10 millones de grados Celsius, y una densidad que generalmente se encuentra solo en sólidos. Además del intenso calor, este estado también incluye interacciones de Coulomb, que ocurre cuando dos electrones cargados negativamente se repelen, así como numerosos efectos de la mecánica cuántica.

El equipo de investigación bajo la dirección de Michael Bonitz, profesor de física teórica en la CAU, ahora ha logrado un gran avance. Usando simulaciones complejas realizadas en supercomputadoras, han desarrollado un método computacional con el que describieron con precisión el factor de estructura dinámica de los electrones en la materia densa cálida por primera vez. Lograr esto, ampliaron aún más sus propias simulaciones cuánticas de Monte Carlo, desarrollado en los últimos años.

"Nuestros nuevos datos proporcionan información única, "explicó Bonitz." Sorprendentemente, ya se ha demostrado que la descripción exacta de la repulsión entre cargas negativas da como resultado una señal de dispersión de Thomson significativamente modificada, en particular a una dispersión de plasmón drásticamente cambiada, en comparación con las teorías anteriores ". Estas predicciones se comprobarán ahora experimentalmente. Los resultados así obtenidos son de extraordinaria importancia para la interpretación de experimentos de última generación con materia densa cálida, como los que comenzarán en breve en el XFEL europeo. Por ejemplo, se pueden utilizar para determinar propiedades clave como la temperatura de los electrones o la velocidad de propagación de las ondas que surgen cuando la materia es bombardeada con láseres.