Quantum theoretical study of hydrogen under high pressure

Das Hochdruck-Phasendiagramm von Wasserstoff ist bisher nur fragmentarisch bekannt [36]. Im Bereich des Übergangs von molekularen zu atomaren Strukturen (1.5 Mbar bis 6 Mbar) sind keine Experimente zur direkten Strukturbestimmung mehr möglich, so daß theoretischen Berechnungen hier eine besondere Rolle zukommt. In dieser Arbeit wurde eine kürzlich von Marx und Parrinello [38, 40] vorgestellte Methode verwendet, die die klassische ab initio Molekulardynamik um Quantenprotonen erweitert: Auf der Grundlage der Feynmanschen Pfadintegralformulierung der quantenstatistischen Zustandssumme [17] wird das quantenmechanische System - im Prinzip exakt - auf ein komplizierteres klassisches System abgebildet, das mit Staudardmethoden der Molekulardynamik und Dichtefunktionaltheorie behandelt werden kann. Mit dieser "Pfadintegral-Car-Parrinello-Methode" wurden Wasserstoffsysteme bei 50 K und drei verschiedenen Druckwerten (1.5 Mbar, 4 Mbar, 6 Mbar) untersucht. Der Vergleich mit klassischen Rechnungen [50, 51] zeigt, daß bei 1.5 Mbar eine von Pfaffenzeller et al. gefundene zweifach koordinierte Struktur stabil bleibt, in der sich die Wasserstoffatome in Ketten anordnen. Quantenfluktuationen können bei diesem Druck inihren wesentlichen Merkmalen durch Gaußsche Wahrscheinlichkeitsverteilungen der Atome modelliert werden. Überreste der Kettenstruktur sind bis zu 4 Mbar zu beobachten, obwohl bei diesem Druck Quantenfluktuationen ein strukturell verwaschenes Bild erzeugen. Bei noch höherem Druck (6 Mbar) dominieren höher koordinierte atomare Strukturen. Analogien mit Ergebnissen klassischer Simulationen bei höheren Temperaturen [50, 51] suggerieren, daß die untersuchten Drücke bereits einer flüssigen Phase entsprechen, bzw. einer Phase, die ein eindimensional flüssiges Verhalten in Richtung der Ketten zeigt