Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultńt

Institut f├╝r Physik

Fachgebiet: Statistische Physik, Vielteilchenphysik, Thermodynamik

Betreuer: Prof. Dr. Ronald Redmer



M.Sc. Martin Preising
(e-mail: martin.preising2@uni-rostock.de )

Toward the Nonmetal-to-Metal Phase Transition of Helium

Helium ist das zweith├Ąufigste Element im Universum. Daher sind seine Eigenschaften unter hohem Druck wichtig f├╝r 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 Dr├╝cken f├╝r eine vielzahl theoretischer Beschreibungen sehr herausfordernd. Diese Arbeit pr├Ąsentiert die Ergebnisse umfangreicher ab initio Berechnungen f├╝r Helium bei hohen Dichten. Der Vergleich von Simulationen mit Experimenten bezeugt die Qualit├Ąt der theoretischen Methoden. W├Ąhrend Helium bisher noch nicht experimentell bei den erforderlichen Dr├╝cken untersucht wurde, sagen die Ergebnisse die Schmelzdrucklinie bis zu Bedingungen voraus, die f├╝r alte Wei├če Zwerge wichtig sind. Simulationen bei h├Âheren Temperaturen weisen einen kontinuierlichen Phasen├╝bergang zwischen isolierendem und elektrisch leitf├Ąhigem Helium nach, der bereits seit Jahrzehnten diskutiert wurde. Die Berechnung weiterer physikalischen Gr├Â├čen wie die Zustandsgleichung, die Reflektivit├Ąt und der Ionisationsgrad bieten Vorhersagen f├╝r zuk├╝nftige Experimente. Schlie├člich zeigt diese Arbeit ein aktualisiertes Phasendiagramm von Helium und diskutiert die Konsequenzen f├╝r astrophysikalische Objekte wie Wei├če und Braune Zwerge sowie die Riesenplaneten Jupiter und Saturn.

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.