Promotionskolloquium MSc Martin Preising

Am Freitag, dem 01. Oktober 2021, 15:00 Uhr, findet die Verteidigung der Dissertationsarbeit von Martin Preising (Theoretische Physik, AG Prof. Dr. Redmer) zum Thema Toward the Nonmetal-to-Metal Phase Transition of Helium  via Online-Videokonferenz statt.

Anmeldungen unter: verteidigungen.physikuni-rostockde bis 30.09.2021

Abstract

Due to its high abundance in the universe, the properties of helium under high pressure are of great importance for a variety of astrophysical objects. Despite its simple structure, experiments on high-pressure helium pose enormous difficulties. At the same time, the quantum nature of helium under extreme conditions is very challenging for theoretical models. This work presents the results of extensive ab initio calculations for high-pressure helium. A comparison of simulations and experiments ensured the viability of the theoretical results. Calculations at conditions beyond present experimental capabilities extended the knowledge of the melting line of helium into a regime that is relevant for the structure of old white dwarfs. Simulations at higher temperatures determined a higher-order phase transition from an insulating to a conducting phase which has been discussed for decades. Furthermore, they predicted physical properties like the equation of state, the reflectivity, and the ionization degree in this regime, providing a basis for future experiments. This work finally presents an update of the phase diagram of helium and discusses its implications on astrophysical objects like white and brown dwarfs, and giant planets like Jupiter and Saturn.

Zusammenfassung

Helium ist das zweithäufigste Element im Universum. Daher sind seine Eigenschaften unter hohem Druck wichtig für eine Vielzahl von astrophysikalischen Objekten. Trotz seiner recht einfachen Struktur sind Experimente an Helium unter extremen Bedingungen sehr aufwendig. Gleichzeitig ist die Abbildung von quantenmechanischen Effekten bei hohen Drücken für eine vielzahl theoretischer Beschreibungen sehr herausfordernd. Diese Arbeit präsentiert die Ergebnisse umfangreicher ab initio Berechnungen für Helium bei hohen Dichten. Der Vergleich von Simulationen mit Experimenten bezeugt die Qualität der theoretischen Methoden. Während Helium bisher noch nicht experimentell bei den erforderlichen Drücken untersucht wurde, sagen die Ergebnisse die Schmelzdrucklinie bis zu Bedingungen voraus, die für alte Weiße Zwerge wichtig sind. Simulationen bei höheren Temperaturen weisen einen kontinuierlichen Phasenübergang zwischen isolierendem und elektrisch leitfähigem Helium nach, der bereits seit Jahrzehnten diskutiert wurde. Die Berechnung weiterer physikalischen Größen wie die Zustandsgleichung, die Reflektivität und der Ionisationsgrad bieten Vorhersagen für zukünftige Experimente. Schließlich zeigt diese Arbeit ein aktualisiertes Phasendiagramm von Helium und diskutiert die Konsequenzen für astrophysikalische Objekte wie Weiße und Braune Zwerge sowie die Riesenplaneten Jupiter und Saturn.


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