Aus dem Themenbereich Forschung

Kondensierte Materie: Mehr als feste Körper und Flüssigkeiten

Komplexe Vielteilchensysteme

Der Begriff "Kondensierte Materie" umfasst einen sehr großen Teil von Erscheinungsformen, die Materie annehmen kann: feste Körper, Flüssigkeiten, biologische Materialien, Kolloide, Nanostrukturen, Flüssigkristalle, Polymere oder Gläser. Mit diesen Erscheinungsformen der Materie ist ein großer Reichtum von unterschiedlichen Phänomenen verbunden, wie Transparenz, Reflexion, Magnetismus, Supraleitung, mechanische Eigenschaften, Farbe oder Oberflächentextur oder auch die Funktionalität biologischer Systeme. Bei den Prozessen in kondensierter Materie sind auch sehr unterschiedliche Zeitskalen involviert: Von dem Bereich einiger Femtosekunden für elektronische Prozesse in Festkörpern bis hin zu Jahrmillionen bei geologischen Vorgängen.

An den komplexen Vielteilchensystemen muss eine Vielzahl grundlegender wissenschaftlicher Fragestellungen bearbeitet werden, um die verschiedenen Erscheinungsformen und Eigenschaften der kondensierten Materie zu verstehen. Deshalb sind ständig neue anspruchsvolle Untersuchungsmethoden zu entwickeln. Neben den faszinierenden Herausforderungen, die sich für die Grundlagenforschung stellen, bilden die Wissenschaften der kondensierten Materie auch die Basis für zahlreiche Anwendungen in den Material- und Ingenieurwissenschaften, der Nanotechnologie, der Geologie, der Chemie, den Umweltwissenschaften sowie in der Biologie und Medizin.

• Neutronen

• Synchrotronstrahlung

• Freie-Elektronen-Laser im Ultraviolett- und weichen Röntgenbereich

• nuklearen Sonden und Ionenstrahlen

• Hochintensitätslasern 

Darüber hinaus unterstützt das BMBF im Rahmen der Verbundforschungsförderung die Einbeziehung von Hochschulen in der Entwicklung von Instrumenten und Methoden an diesen Großgeräten. 

Beteiligte Forschungseinrichtungen mit Bundesbeiteiligung

Forschung mit Neutronen

Neutronen haben die Eigenschaft, Materie für Strukturuntersuchungen leicht zu durchdringen, ohne sie dabei zu zerstören. Dadurch können Informationen aus dem Inneren von massiven Bauteilen gewonnen werden, was zum Beispiel mit Röntgenstrahlen nur schwer oder gar nicht möglich wäre. Dies gilt besonders für Metalle oder Stoffe mit hoher Dichte. Diese Eigenschaft der Neutronen wird in der Forschung und bei Anwendungen vielfach genutzt, zum Beispiel beim Aufspüren mikrofeiner Risse an Konstruktionsbauteilen von Flugzeugen, bei der Untersuchung von Klärschlämmen oder bei der Wasser- und Bodenüberwachung in der Umwelttechnik. In der Medizin waren Untersuchungen mit Neutronen von entscheidender Bedeutung, um zu verstehen, wie Knochen während des Wachstums mineralisieren und später wieder demineralisieren.
Die Forschung mit Neutronen ist eine unverzichtbare Untersuchungsmethode für weite Bereiche der Naturwissenschaften und der Technik. Die Intensität der Strahlung ist dabei besonders wichtig: Je höher sie ist, desto genauer kann in vielen Fällen gemessen werden. Die Stärke einer Neutronenquelle ist deshalb ein wichtiges Kriterium für ihre Bedeutung in der Forschung.
Als Neutronenquellen dienen Forschungsreaktoren, bei denen durch die Spaltung von Uran überschüssige Neutronen erzeugt werden. In Deutschland gibt es Forschungsreaktoren in Berlin und Garching. Im Jahr 2006 ist die Forschungsneutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) mit weltweit zweithöchstem Neutronenfluss und modernster Instrumentierung in Betrieb gegangen. Das BMBF ist außerdem am Höchstflussreaktor (ILL) in Grenoble beteiligt und unterstützt die Arbeiten am Forschungsreaktor des Vereinigten Institutes für Kernforschung (JINR) im russischen Dubna. Das Forschungszentrum Jülich betreibt ein sehr leistungsfähiges Neutronenstreuinstrument an der SNS in den USA, der zur Zeit weltweit stärksten Spallationsquelle.

Seit 2010 beteiligt sich Deutschland an der Planung und Realisierung der neuen Europäischen Spallationsquelle (ESS) in Lund, Schweden. Gegenwärtig fördert das BMBF ein Projekt von Helmholtz-Zentren und der Technischen Universität München mit einem Gesamtbetrag von 21 Millionen Euro, davon 15 Millionen Euro vom BMBF und 6 Millionen Euro von den Projektpartnern.

Geförderte Großgeräte

- zurück -

Forschung mit Synchrotronstrahlung

Die Aufklärung der inneren Struktur von Materie auch in kleinsten Proben und die Beobachtung von Veränderungen in kürzesten Zeiträumen werden durch Forschung an modernsten beschleunigerbasierten Lichtquellen ermöglicht. Das dort erzeugte Licht, "Synchrotronstrahlung" genannt, ist physikalisch gesehen ein Teil der elektromagnetischen Strahlung; aus dem Alltag bekanntere andere Bereiche sind sichtbares Licht, Röntgenstrahlung oder Radiowellen. Die Synchrotronstrahlung ist viel intensiver als die aus herkömmlichen Röntgenröhren. Sie wird mit Hilfe von Teilchenbeschleunigern erzeugt, wobei nicht die beschleunigten Teilchen (Elektronen oder Positronen) direkt verwendet werden, sondern die von ihnen ausgesandte Strahlung. Die Forschung mit Synchrotronstrahlung stellt eine sehr wichtige Methode zur Erforschung kondensierter Materie dar und ist oft komplementär zu Methoden der Neutronenstreuung. Die Palette der Materialien, mikroskopischen Systeme, Phänomene und Prozesse, die mittels Synchrotronstrahlung erforscht werden können, ist nahezu unbegrenzt, die entsprechende Untersuchungsmethoden sind außerordentlich vielseitig.

Synchrotronstrahlung entsteht immer, wenn geladene Teilchen ihre Richtung ändern. Sie senden dabei Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung aus. Dies ist auch der Fall, wenn energiereiche Elektronen in einem Kreisbeschleuniger durch ein Magnetfeld auf ihrer Bahn gehalten werden. Das in den Kurven abgestrahlte Licht wird dann für Experimente verwendet. Mit speziellen periodischen magnetischen Systemen (Wigglern oder Undulatoren) kann man den Elektronenstrahl zusätzlich auf einen Slalomkurs zwingen, also viele kleine Kurven durchlaufen lassen, und so diesen Abstrahlungseffekt gezielt verstärken. Das hierbei ausgesandte Licht hat spezielle wünschenswerte Eigenschaften: es ist sehr intensiv und besonders gut gebündelt. Sind die Undulatoren lang genug, überlagern sich die nacheinander abgestrahlten Lichtstrahlbündel derart, dass eine zusätzliche Verstärkung auftritt: der entstehende Lichtstrahl hat Eigenschaften von Laserlicht (Kohärenz) und ist zusätzlich extrem intensiv.

Dieses Konzept wird in einer linearen Anordnung von Beschleunigungsstrukturen und Undulatoren weiter vorangetrieben. Bei Freie-Elekronen-Lasern überlagern sich zusätzlich auch die von unterschiedlichen Elektronen ausgesandten Lichtbündel konstruktiv. Es entsteht Strahlung mit besonders klar definierter Energie in intensiven, äußerst kurzen Pulsen mit einer enorm hohen Wiederholrate sowie zeitlicher und räumlicher Kohärenz. So können Prozesse auf atomarer Skala in drei Dimensionen zeitlich abgetastet, quasi "gefilmt", werden.

Der weltweit erste Freie Elektronen-Laser für Wellenlängen im weichen Röntgen- und Vakuum-Ultraviolettbereich, FLASH, wurde 2005 bei DESY in Hamburg in Betrieb genommen. Ein Nutzerbetrieb findet seither statt. Der Bau eines sehr viel größeren Freie-Elektronen-Lasers für harte Röntgenstrahlung, des Europäischen XFELs, hat 2010 ebenfalls in Hamburg begonnen.

Geförderte Großgeräte

- zurück -

Forschung mit nuklearen Sonden und Ionenstrahlen

Bei dieser Methode zur Strukturuntersuchung werden radioaktive Atomkerne, Myonen, Positronen oder Ionen als Sonden in Materialien eingebracht und dann die Reaktion dieser Sonden auf die elektromagnetischen Felder gemessen, die im Inneren der Materialien herrschen, oder es werden die Emission von Sekundärteilchen untersucht. Dazu wird vorwiegend die so genannte Hyperfeinwechselwirkung genutzt, die ein sensitiver Indikator für die Verhältnisse innerhalb des untersuchten Materials ist. Neben den Bereichen Festkörperphysik und Materialforschung wird die Untersuchungsmethode auch in den Bio- und Geowissenschaften, der Anthropologie, der Medizin und der Kunst eingesetzt.

Geförderte Großgeräte

- zurück -

Hochintensitätslaser

Der Beschuss von festen Stoffen mit hochintensiven Laserstrahlen erzeugt in Materie heiße und dichte Plasmen, wie sie zum Beispiel den Zuständen im Inneren von sehr massereichen Himmelskörpern entsprechen.

Geförderte Großgeräte