Schnellere Simulationen für die leistungsstärkste Röntgen-Laseranlage der Welt freigeschaltet

Tobias Dornheim, PhD, Leiter der Abteilung für Hochenergiedichte am Institut für Strahlungsphysik des HZDR, betonte die Bedeutung dieser Entwicklung: „Wenn wir eine Kernkraftwerksanlage realisieren wollen, müssen wir verstehen, was in solchen extremen Materiezuständen tatsächlich geschieht." „Mit unserer neuen Methode ist es nun möglich, die Datensätze aus solchen Experimenten umfassend und präzise zu analysieren." Schnellere Simulationen freigeschaltet: Wissenschaftler nutzen Einrichtungen wie das Europäische XFEL in der Nähe, um Materie unter extremen Temperaturen und Drücken zu untersuchen, die denen im Inneren ähneln.

Gleiche Bedingungen lassen sich auch im Labor, beispielsweise bei Laser-Fusions-Experimenten, erzeugen. Um besser zu verstehen, was unter diesen extremen Bedingungen abläuft, verwenden Forscher die Röntgenstreuung.

Sie schießen intensive Röntgenstrahlen durch Proben und analysieren, wie diese gestreut werden, um daraus Eigenschaften wie Dichte und Temperatur abzuleiten.

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Die Auswertung solcher Experimente erfordert jedoch massive Computersimulationen, die extrem rechenintensiv sind. „Wir simulieren das System mit verschiedenen Parametern und prüfen, welche Kombination den experimentellen Beobachtungen entspricht", so Dornheim.

Bei hohen Temperaturen müssen Wissenschaftler viele quantenmechanische Zustände berücksichtigen und zudem numerische Artefakte bewältigen, die die Ergebnisse verfälschen können.

Um ihre Experimente zu interpretieren, müssen sie zahlreiche Kombinationen aus Temperatur und Dichte berechnen (Parameterscan), was erhebliche Rechenzeiten erfordert. „Und wir verfügen schlicht nicht über unbegrenzte Mengen davon", fügte Dornheim hinzu.

Ein neues Rechenwerkzeug Um dieses Problem

Ein neues Rechenwerkzeug Um dieses Problem zu lösen, entwickelte das Team des HZDR eine Methode, die identifiziert, welche Teile des simulierten Signals echte physikalische Informationen enthalten, und im Gegensatz dazu, welche lediglich numerisches Rauschen darstellen.

Sie stützt sich reportedly auf eine mathematische Transformation in imaginäre Zeit, ein quantenmechanisches Konzept, das eng mit der Temperatur verknüpft ist.

Zhandos Moldabekov, PhD, ein Forscher am HZDR, der die Idee für die Methode entwickelt hat, erklärte, dass die Methode die physikalische Struktur des Signals erhält. „Auf dieser Grundlage kombinieren wir einen zuverlässigen Konvergenztest mit einem Filterverfahren, das künstliche Ringeffekte entfernt, ohne die physikalischen Informationen zu verfälschen", so er. „In unseren Tests liefen die Simulationen 50-mal schneller", erläuterte Moldabekov und fügte hinzu, dass dies bedeute, dass Wissenschaftler mehr Simulationen durchführen sowie experimentelle Daten genauer analysieren können.

Die Methode wird voraussichtlich eine zentrale

Die Methode wird voraussichtlich eine zentrale Rolle bei Experimenten am European XFEL spielen, insbesondere innerhalb des HIBEF-Konsortiums.

Sie könnte zudem die Laborastrophysik voranbringen, indem sie Forschern hilft, die extremen Drücke und Temperaturen im Inneren über hinaus ermöglicht sie die Berechnung ähigkeit und Strahlungsabsorption schneller und genauer. „Es sollte möglich sein, unsere Methode zu einem Standardwerkzeug zur Auswertung moderner Röntgenexperimente weiterzuentwickeln", so Moldabekov in einer Pressemitteilung. „In Zukunft könnte es eine zentrale Rolle bei der Erforschung extremer Materiezustände spielen." Die Studie wurde in der Zeitschrift npj Computational Materials veröffentlicht.