Warme Dichte Materie – Röntgendiagnostik – Thomson Streuung – Laser-Röntgenquellen
Als Warme dichte Materie (WDM) wird der Übergangsbereich zwischen Festkörpern und dichten heißen Plasmen bezeichnet. Typische Parameter sind Dichten im Bereich der Festkörperdichte, Temperaturen von einigen tausend bis zu einigen hunderttausend Kelvin und daraus resultierenden Drücken von MPa bis zu GPa. Solche Zustände treten z.B. im Inneren von großen Planeten oder weißen Zwergen auf. Außerdem wird WDM bei vielen Laborprozessen, bei denen Festkörper sehr schnell aufgeheizt und in einen Plasmazustand überführt werden, als Übergangszustand erzeugt. Das prominenteste Beispiel für diesen Fall ist momentan die Trägheitsfusion, für dessen experimentelle Realisierung das Verständnis von WDM eine zentrale Rolle spielt. Interessante physikalische Eigenschaften von WDM sind partielle Entartung der Elektronen und starke Kopplung der Atome oder Ionen. Dies macht die theoretische Beschreibung von WDM sehr kompliziert. Gleichzeitig ist es schwierig, homogene und langlebige WDM-Proben im Labor zu erzeugen. Die extremen Parameter verlangen von Experimenten eine Zeitauflösung im Nanosekundenbereich oder darunter. Außerdem ist WDM generell opak für optisches Licht, sodass Röntgenstrahlen oder energetische Teilchenstrahlen für die genaue Untersuchung von WDM nötig sind. Bis vor Kurzem galt noch der Spruch: „If you can compute it – it’s not warm dense matter! – If you can measure it – it’s not warm dense matter!”.
Dies hat sich mittlerweile geändert und so führt auch unsere Gruppe Experimente an verschiedenen Lasersystemen weltweit durch, um die Eigenschaften von WDM genauer zu ergründen. Dabei arbeiten wir meist in groß angelegten Experimentkampagnen mit internationalen Kooperationspartnern. Unsere Experimente der letzten Jahre haben am PHELIX-Laser des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung in Darmstadt, am TRIDENT-Laser des Los Alamos National Laboratory, USA, am TITAN-Laser des Lawrence Livermore National Laboratory, USA und am VULCAN-Laser des Rutherford Appleton Laboratory, Vereinigtes Königreich, stattgefunden. Dabei wurde beispielsweise das Schmelzverhalten von Kohlenstoff bei Drücken von 0.1 bis 1.5 Millionen bar mit Hilfe von Röntgenstreuung untersucht. Dies sind ähnliche Zustände, wie man sie tief im Inneren von Neptun oder Uranus vorfindet.
Zukünftig wird die Erforschung von WDM den Schwerpunkt der Plasmaphysik bei dem sich momentan im Bau befindlichen FAIR-Beschleunigerzentrum ausmachen. Daher sind intensive Vorarbeiten für die dort geplanten Experimente nötig.
