Neue Simulationsmethode beschleunigt Auswertung von Röntgenstreuexperimenten

Forschende am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) haben ein neues Verfahren entwickelt, mit dem sich aufwändige Computersimulationen zur Analyse von Materie unter extremen Bedingungen beschleunigen lassen.

Die Arbeit verbessert insbesondere die Auswertung von Experimenten an Großforschungsanlagen wie dem European XFEL - und dürfte erhebliche Fortschritte unter anderem in der Fusionsforschung und der Laborastrophysik ermöglichen. Das Team präsentiert seine Ergebnisse im Fachjournal npj Computational Materials.

Manchmal liegt Materie in extremen Zuständen vor - etwa in Sternen oder im Inneren von Gasriesen, wo enorme Drücke und Temperaturen herrschen. Auch im Labor lassen sich solche Bedingungen erzeugen, zum Beispiel bei Experimenten zur Laserfusion.

Um zu untersuchen, was dabei genau passiert, setzen Forschende auf Röntgenstreuung, etwa am European XFEL nahe Hamburg. Das Prinzip: Ein intensiver Röntgenstrahl durchdringt die Probe. Aus dem gestreuten Signal lassen sich anschließend Rückschlüsse auf ihre Eigenschaften ziehen. Doch die Messdaten allein reichen oft nicht aus, um diese eindeutig zu bestimmen, etwa Dichte oder Temperatur.

Hier kommen Computersimulationen ins Spiel. Sie liefern die theoretischen Modelle, mit denen sich die Messwerte interpretieren lassen. "Wir simulieren das System bei verschiedenen Parametern und schauen, bei welcher Kombination die Messdaten mit unseren Simulationen übereinstimmen", erklärt Physiker Dr. Tobias Dornheim, der seit Oktober 2025 die Abteilung Hochenergiedichte am Institut für Strahlenphysik des HZDR leitet.

Wichtig ist das etwa für die Entwicklung der Laserfusion. Dabei wird ein Kügelchen aus Wasserstoff mit Laserpulsen so stark zusammengedrückt und aufgeheizt, dass die Atomkerne verschmelzen und Energie freisetzen. Das Ziel ist, diese Prozesse künftig für Kraftwerke zu nutzen - als klimafreundliche und nahezu unerschöpfliche Energiequelle.

Um das zu erreichen, muss die Fachwelt die zugrunde liegenden physikalischen Prozesse in extremen Materiezuständen untersuchen und im Detail begreifen. Dafür wiederum ist es entscheidend, genau zu verstehen, welche Temperaturen und Drücke in der untersuchten Probe tatsächlich vorliegen.

Simulationen als Schlüssel

In der Vergangenheit wurden für die Interpretation der Messdaten oft einfache Modelle verwendet, die auf einer Reihe von Näherungen basieren. Die in der aktuellen Arbeit verwendete zeitabhängige Dichtefunktionaltheorie hingegen ist sehr genau, was allerdings einen sehr hohen Rechenaufwand erfordert. Das Problem: Bei hohen Temperaturen müssen viele quantenmechanische Zustände berücksichtigt werden.

Gleichzeitig entstehen numerische Artefakte, die das Ergebnis verfälschen können. Um die Experimente zu interpretieren, müssen die Forschenden zahlreiche Kombinationen von Temperatur und Dichte durchrechnen - ein sogenannter Parameter-Scan. Hierzu braucht es viel Rechenzeit auf Supercomputern. "Und die ist schlicht und einfach nicht unbegrenzt vorhanden", sagt Dornheim.

Hier setzt die neue Methode an. Die Grundidee: Statt die Simulationen immer weiter zu verfeinern, identifizieren die Forschenden systematisch, welche Teile des berechneten Signals physikalisch relevant sind - und welche lediglich numerisches Rauschen darstellen. Kern des Ansatzes ist eine mathematische Transformation in die sogenannte imaginäre Zeit. Hierbei handelt es sich um ein Konzept aus der Quantenmechanik, das sich tatsächlich auch in Experimenten untersuchen lässt und eng mit der Temperatur des untersuchten Systems zusammenhängt.

"Darauf aufbauend kombinieren wir einen zuverlässigen Konvergenztest mit einem Filterverfahren, das künstliche Schwankungen entfernt, ohne die physikalische Information zu verfälschen", erläutert Dornheims Kollege Dr. Zhandos Moldabekov, der die Idee für das neue Verfahren hatte. Der große Vorteil: Statt die Daten einfach zu glätten, was oft wichtige Details verwischt, bleibt die physikalische Struktur des Signals erhalten.

Bis zu 50-mal schneller

In der Praxis führt das zu einer massiven Beschleunigung. "Bei unseren Tests liefen die Simulationen um einen Faktor 50 schneller", beschreibt Moldabekov. Für die Zukunft heißt das: Statt auf kostspieligen Supercomputern nur wenige Simulationen durchführen zu können, lassen sich in der gleichen Rechenzeit umfangreiche Parameterstudien realisieren und dadurch die experimentellen Daten zuverlässig auswerten. Auch die Qualität der Ergebnisse verbessert sich: Die neue Methode reduziert systematische Verzerrungen und erhält gleichzeitig feine Strukturen im Spektrum, die wichtige physikalische Prozesse anzeigen.

Ein zentrales Einsatzgebiet sind Experimente am European XFEL, insbesondere im vom HZDR koordinierten Nutzer-Konsortium HIBEF. Dort untersuchen Forschende Materialien unter extremen Bedingungen, wie sie in der Laserfusion auftreten. "Wenn wir ein Fusionskraftwerk haben wollen, müssen wir verstehen, was in solchen extremen Materiezuständen wirklich passiert", betont Dornheim. "Unsere neue Methode ermöglicht es nun, die Datensätze aus solchen Experimenten umfassend und präzise zu analysieren."

Darüber hinaus eröffnet der Ansatz neue Perspektiven für die Laborastrophysik. Hier lassen sich Bedingungen nachstellen, wie sie tief im Inneren von Planeten herrschen - also dort, wo Materie unter extremem Druck zusammengepresst und stark aufgeheizt ist. Auch andere Eigenschaften von Materialien, etwa wie gut sie elektrischen Strom leiten oder wie sie Strahlung aufnehmen, können mit der Methode nun schneller und genauer berechnet werden. "Unser Verfahren dürfte sich zu einem Standardwerkzeug für die Interpretation moderner Röntgenexperimente entwickeln", hofft Moldabekov. "Damit könnte es künftig eine zentrale Rolle bei der Erforschung extremer Materiezustände spielen."

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Quelle: Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)