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

Winkel, Mathias; Kull, Hans-Jörg

doi:4789

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 (Author)

2013

VerantwortlichkeitsangabeMathias Winkel

ImpressumAachen : Forschungszentrum Jülich, Zentralbibliothek 2013

UmfangXVII, 196 S. : graph. Darst.

ReiheSchriften des Forschungszentrums Jülich : IAS series ; 20

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

Zsfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Kull, Hans-Jörg (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2013-07-12

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-47894
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/229684/files/4789.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Plasmaphysik (Genormte SW) ; Warme dichte Materie (Genormte SW) ; Starke Kopplung (Genormte SW) ; Molekulardynamik (Genormte SW) ; Computersimulation (Genormte SW) ; Hochleistungsrechnen (Genormte SW) ; Physik (frei) ; Stoßfrequenz (frei) ; Stöße im Plasma (frei) ; periodische Randbedingungen (frei) ; Multipolmethoden (frei) ; Collision Frequency (frei) ; Barnes-Hut Tree Code (frei) ; Collisions in Plasmas (frei) ; Periodic Boundary Conditions (frei) ; Multipole Methods (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

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.

Despite intense research, the properties of strongly coupled Coulomb systems have not yet been completely understood. However, with the advent of Free Electron Lasers with wavelengths reaching down to tenths of nanometers and intensities beyond 10^16 W/cm^-2 during the last years, it has become possible to experimentally probe the warm dense matter regime up to solid densities. Now, systems that can be studied are reaching from hot, low-density plasmas of fusion research to cold dense solids that are dominated by quantum-mechanical effects and strong correlations. Their consistent theoretical description requires a multitude of effects to be considered. In particular, strong correlations pose significant difficulties here. Computer simulations provide a tool for bridging between experiments and theory as they do not suffer from these complications. The experimentally accessible optical and transport properties in plasmas are primarily featured by the electronic subsystem, such as its collective behavior and interaction with the ionic background, i. e. Coulomb collisions. In this work the collisional behavior of warm dense bulk matter and collective effects in nano plasmas are investigated by means of molecular dynamics simulations. To this end, simulation experiments performed earlier on electronic resonances in metallic nano clusters are extended to significantly larger systems. The observed complex resonance structure is analyzed using a newly introduced spatially resolved spectral diagnostic. As a second field of study, the bulk collision frequency as the key parameter for optical and transport properties in warm dense matter is evaluated in a generalized Drude approach for a hydrogen-like plasma. Here, the combined high-field and strong coupling regime that is only scarcely covered by theoretical models is of primary interest. To solve the underlying N -body problem for both applications, a highly parallel Barnes-Hut tree code is utilized and considerably extended with respect to functionality, versatility, and scalability. With its new excellent scalability to hundred thousands of processors and simulation setups consisting of up to billions of particles and its support for periodic boundary conditions with an efficient and precise real-space approach it delivers highly resolved results and is prepared for further studies on the warm dense matter regime. Here, its unique predictive capabilities can finally be used for connecting to real-world experiments.

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