High resolution simulations of strongly coupled coulomb systems with a parallel tree code

  • Hoch aufgelöste Simulationen stark gekoppelter Coulomb-Systeme mit einem parallelen Tree-Code

Winkel, Mathias; Kull, Hans-Jörg (Thesis advisor)

Aachen : Forschungszentrum Jülich, Zentralbibliothek (2013)
Doktorarbeit

In: Schriften des Forschungszentrums Jülich : IAS series 20
Seite(n)/Artikel-Nr.: XVII, 196 S. : graph. Darst.

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2013

Kurzfassung

Die Eigenschaften stark gekoppelter Coulombsysteme sind trotz intensiver Forschung nicht vollständig verstanden. Mit dem Aufkommen von Freie-Elektronen-Lasern, die Strahlungsintensitäten jenseits 10^16 W/cm^-2 bei Wellenlängen deutlich im sub-Nanometer Bereich liefern, stehen jedoch erstmals die experimentellen Möglichkeiten zur Verfügung, mit optischen Pump-Probe Experimenten bis zu Festkörperdichten vorzudringen. Systeme, die untersucht werden können reichen damit von den heißen, dünnen Plasmen der Fusionsforschung bis hin zu kalten, von quantenmechanischen Effekten und starken Korrelationen dominierten Festkörpern. Für ihre konsistente theoretische Beschreibung muss entsprechend eine Vielzahl physikalischer Effekte einbezogen werden. Insbesondere starke Korrelationen führen dabei zu großen Schwierigkeiten. Mit Computersimulationen, die dieser Einschränkung nicht unterliegen, stehen jedoch Werkzeuge zur Verfügung, um die Lücke zwischen experimentellen und theoretischen Möglichkeiten zu schließen. Die experimentell erreichbaren optischen und Transporteigenschaften in Plasmen werden primär durch die Eigenschaften des elektronischen Subsystems, etwa kollektive Effekte und Wechselwirkungen mit dem Ionenhintergrund - also Coulomb-Stöße - dominiert. In dieser Arbeit werden das Stoßverhalten warmer dichter Bulk-Materie sowie kollektive Effekte in Nanoplasmen mittels Molekulardynamiksimulationen untersucht. Hierzu werden frühere Simulationsexperimente zu elektronischen Resonanzen in metallischen Nanoclustern zu deutlich größeren Systemen ausgedehnt und die gefundenen Resonanzen mit einer neuen, räumlich aufgelösten spektralen Diagnostik analysiert. Als zweites Anwendungsgebiet wird die Bulk-Stoßfrequenz als Schlüsselparameter für optische und Transporteigenschaften in warmer dichter Materie in einem verallgemeinerten Drude-Ansatz für ein wasserstoffartiges Plasma ausgewertet. Von primärem Interesse sind hier Parameterbereiche mit starkem externem Feld sowie starker Kopplung, die mit theoretischen Modellen nur unzureichend abgedeckt werden können. Um das beiden Anwendungen zugrundeliegende N -Teilchen-Problem zu lösen wird ein paralleler Barnes-Hut Treecode genutzt und in Bezug auf Funktionalität, Vielseitigkeit sowie Skalierbarkeit deutlich erweitert. Mit seiner nun exzellenten Skalierbarkeit zu hunderttausenden von Prozessoren und simulierten Systemen aus Milliarden von Teilchen sowie der Unterstützung für periodische Randbedingungen einem effizienten und präzisen Echtraumansatz liefert er hoch aufgelöste Ergebnisse und ist auf weitere Anwendungen zum Warm-Dense-Matter Regime vorbereitet. Hier können seine einzigartigen Fähigkeiten genutzt werden um die Verbindung zu Experimenten in der realen Welt zu schlagen.

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