Mischungen von ortho und para Wasserstoff

Wasserstoff ist das einfachste Atom und bildet das einfachste Molekül. Es ist sowohl auf einem grundlegenden wissenschaftlichen Niveau sehr wichtig als auch für praktische Anwendungen, z.B. als Kandidat für eine zukünftige Energiequelle. Forschung über Wasserstoff findet in zahlreichen Wissenschaftszweigen statt, in der Physik, Chemie, und auch in der Astrophysik. Ein Aspekt von Wasserstoff, der bisher nur unzureichend untersucht worden ist, umfasst die Phänomene, die mit den Rotationseigenschaften der einzelnen Moleküle verbunden sind. Molekularer Wasserstoff und seine Isotope existieren in zwei Formen, Ortho und Para, aufgrund der Kopplung der Kernspins der beiden Atome. Para- Wasserstoff muss in einem geraden Drehimpulszustand sein, Para-Wasserstoff in einem ungeraden. Die Tieftemperatur-Eigenschaften von Para-Clustern und Flüssigkeiten sind bekannt, Mischungen in beliebigen Verhältnissen von Ortho und Para sind hingegen noch sehr wenig untersucht worden. Es ist tatsächlich möglich, solche beliebigen Mischungsverhältnisse herzustellen, da die Umwandlungszeiten zwischen Ortho- und Para- Wasserstoff bei Normaldruck in der Ordnung von mehreren Tagen liegen. Für die feste Phase ist bekannt, dass man den anomalen "Reentrant"-Übergang den Eigenschaften der Verteilung von Ortho- und Para-Spezies zuordnen kann. Im vorliegenden Projekt sollen die Eigenschaften von Mischungen aus Para- und Ortho-Wasserstoff mit Hilfe von Computersimulationen untersucht werden. Die Methoden umfassen dabei variationelles Quanten-Monte-Carlo, um Näherungslösungen zu erhalten und um die Natur des Grundzustands solcher Systeme zu verstehen, sowie Pfadintegral- und Diffusions-Quanten-Monte-Carlo, um quantitative Informationen zu erhalten. Besondere Aufmerksamkeit wird der Untersuchung aller auftretenden Phasen gewidmet, wie z.B. der superfluiden Phase (die vermutlich in Para-Wasserstoff Clustern auftritt), der in Ortho-Wasserstoff bekannten strukturellen Ordnung bei tiefer Temperatur, einer Phasenseparation zwischen den verschiedenen Spezies, sowie einer möglichen Nukleation von Ortho-Wasserstoff. Die verwendeten Gleichgewichtsmethoden erlauben sowohl die Untersuchung von strukturellen Eigenschaften als auch von Größen wie der superfluiden Dichte. Eine zu verwendende klassische Näherung kann darüber hinaus die Untersuchung von Nukleation ermöglichen.

Es gibt zahlreiche Ergebnisse von diesem Projekt die schon veröffentlicht sind. Diese Ergebnisse haben Gewicht nicht nur für das besonderes Thema von dem Projekt, sondern für andere wissenschaftliche Felder. Das ursprünglich geplante Projekt war eine Untersuchung von ortho-para Wasserstoff mit Methoden von Vielkörperphysik. Ein Ergebnis mit direkter Verbindung war eine Untersuchung von Krystallen von Molekülen die Wasserstoffatomen erhalten. In dieser Arbeit das Fasendiagramm von diesen Materialien wurde ausgerechnet. Die theoretische Ramen waren entwickelt: eine Frage über den theoretische Behandlung von der Zeitskalen der Kernspinrelaxation wurde beantwortet. Die ausgerechnete Fasendiagram war unüblich: es gab ein Reentrance, ein Effekt bekannt nur in Systemen die starke Quanteneffekten zeigen. Reentrance heisst wann ein System zeigt eine niedrigtemperatur Fasenübergang in eine ungeordnete Fase, durch Quantenfluktuationen. In einem anderen Projekt in Rahmen diesem FWF-Projekt, habe ich die Frage von Konduktivität untersucht. Konduktivität spielt eine wichtige Rolle in Wasserstoffforschung als Wasserstoff war eine der erste Materialien wo ein Mott Metal-Isolator- Fasenübergang als Möglichkeit ausgedacht würde. Dafür habe ich einen mathematischen Formalismus entwickelt die die Konduktivitätrechnung vereinfacht. Danach habe ich ein Formalismus für die Mott Fasen-Übergang entwickelt, wo es explizit gezeigt ist, dass die Isolatorfase in dem Mott-Bild hängt von die starke Binding von geladene Teilchen und Hülle ab (Exciton-Binding). In einem anderen Werk habe ich eine Untersuchung der mathematischen Aspekte der Konduktivität veröffentlicht. In diesem Artikel gibt es eine Demonstration, dass das Landau-Bild eines Metalls (Fermifluss) und das Kohn-Bild der Isolation sind equivalent. Mit Andreas Läuchli habe ich auch in einem Kollaboration die Fase von einem magnetisch frustrierte Modell ausgerechnet. In dieser Arbeit habe ich Variationelle-Monte-Carlo Rechnungen gemacht.