Kondensierte Materie

Mit unseren Augen nehmen wir das Äußere der Dinge wahr. Um in das Innere der Dinge sehen zu können, mussten diese früher zerstört oder auseinander genommen werden. Seit Konrad Röntgen können wir nicht nur in Dinge hineinsehen, sondern lebende Organismen durchleuchten. Heute gelingt es uns, in das Innere vieler Erscheinungsformen der Materie vorzudringen, bald werden wir sogar chemische Reaktionen in Echtzeit mit atomarer Auflösung beobachten können.

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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 Härte, Viskosität, Farbe oder Oberflächentextur. 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. Bei derartigen komplexen Vielteilchensystemen lassen sich anders als in anderen Bereichen der Physik die grundlegenden wissenschaftlichen Ziele nicht in wenigen, übersichtlichen Fragegestellungen zusammenfassen.

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.

Um im Bereich kondensierte Materie Forschung auf international höchstem Niveau betreiben zu können, bedarf es einer erstklassigen wissenschaftlichen Infrastruktur ganz unterschiedlicher Ausprägung. Der weit überwiegende Teil davon wird von Hochschulen, Max-Planck-Instituten und anderen außeruniversitären Forschungseinrichtungen betrieben. Im Aufgabenbereich des BMBF liegen vor allem solche Großgeräte zur Erforschung kondensierter Materie, deren Bau und Betrieb mit sehr großen Aufwendungen verbunden ist: Quellen von Neutronen, Synchrotronstrahlung, hochenergetischen Ionen und nuklearen Sonden sowie Hochintensitätslaser und Freie-Elektronen-Laser.

Neben dem Bau und Betrieb unterstützt das BMBF vor allem Hochschulen bei Forschungen an Großgeräten mit

• Neutronen

• Synchrotronstrahlung

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

• nuklearen Sonden und Ionenstrahlen

• Hochintensitätslasern 

Beteiligte Forschungseinrichtungen (Finanzierungsanteil BMBF in %)

DESY, Hamburg	(90)
Forschungszentrum Jülich	(90)
Forschungszentrum Karlsruhe	(90)
Forschungszentrum Geesthacht	(90)
Gesellschaft für Schwerionenforschung, Darmstadt	(90)
Hahn-Meitner-Institut, Berlin	(90)
Berliner Elektronenspeicherring-Gesellschaft für  Synchrotronstrahlung	(50)
European Synchrotron Radiation Facility, Grenoble	(26)
Institut Laue-Langevin, Grenoble	(33)
Max-Born-Institut, Berlin	(50)
Forschungszentrum Dresden	(50)
Technische Universität München (FRM II)	(20 % der Investitionen)
CERN, Genf	(20)

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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 große Forschungsreaktoren in Berlin, Geesthacht und München/Garching. Im Jahr 2006 ist an der TU München 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 (VIK) im russischen Dubna sowie an den Spallationsneutronenquellen ISIS im Rutherford-Allleton-Laboratory (RAL) in England und SINR am Paul-Scherrer-Institut (PSI) in der Schweiz. Im Aufbau befindet sich ein sehr leistungsfähiges Neutronenstreuinstrument an der weltweit stärksten Spallationsquelle SNS in den USA; dieser Aufbau erfolgt durch das Forschungszentrum Jülich.

Geförderte Großgeräte

Forschungszentrum Jülich (FZJ)

• Jülich Centre for Neutron Science (JCNS)

Forschungszentrum Geesthacht (GKSS)

• Forschungsreaktor FRG-1

Hahn-Meitner-Institut (HMI), Berlin

• Forschungsreaktor BER II

Technische Universität München 

• Forschungsneutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II), in Garching

Institute Laue-Langevin (ILL), Grenoble

• ILL - Hochflussreaktor

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Forschung mit Synchrotronstrahlung

Die Synchrotronstrahlung ist wie Röntgenstrahlung oder das sichtbare Licht eine Form der elektromagnetischen Strahlung und entsteht immer dann, wenn energiereiche Elektronen beschleunigt, also zum Beispiel durch Magnete auf eine Kreisbahn gezwungen werden, auf der sie nahezu Lichtgeschwindigkeit erreichen. Jedes Elektron sendet dabei in seiner momentanen Flugrichtung Synchrotronlicht aus.
Die gegenüber der Strahlung aus herkömmlichen Röntgenröhren viel intensivere Synchrotronstrahlung ermöglicht die Aufklärung der inneren Struktur von Materie auch in kleinsten Proben und die Beobachtung von Strukturänderungen in kurzen Zeiträumen. Sie stellt daher eine sehr wichtige Methode zur Erforschung kondensierter Materie dar, komplementär zur Nutzung von Neutronen. Die Palette der Materialien, mikroskopischen Systeme, Phänomene und Prozesse in kondensierter Materie, die mittels Synchrotronstrahlung erforscht werden können, ist nahezu unbegrenzt, die entsprechende Untersuchungsmethodik außerordentlich vielseitig.
Die Quellen für Synchrotronstrahlung sind große Ringbeschleuniger, in denen Elektronen auf sehr hohe Energien gebracht werden. Dabei wird nicht nur die in den Magneten zur Ablenkung der Elektronen auf eine Kreisbahn emittierte Synchrotronstrahlung genutzt. Die Elektronen werden vielmehr darüber hinaus mittels langer magnetischer Anordnungen, so genannten Wigglern und Undulatoren zu zusätzlichen Richtungsänderungen bzw. Beschleunigungen gezwungen. Dies verleiht der Synchrotronstrahlung dann die speziellen Eigenschaften sehr hohe Intensität und niedrige Emittanz, die sie zum Beispiel für Strukturuntersuchungen in der Biologie besonders wichtig machen. Vom BMBF geförderte Synchrotronstrahlungsquellen gibt es in Berlin, Hamburg und Karlsruhe. Deutschland ist außerdem an der Europäischen Synchrotronstrahlungsquelle (ESRF) in Grenoble beteiligt und unterstützt Arbeiten am Paul Scherrer Institut (PSI) in der Schweiz.

Geförderte Großgeräte

Berliner Elektronenspeicherring-Gesellschaft für Synchrotronstrahlung (BESSY)

• BESSY II: Synchrotronstrahlungsquelle

Deutsches Elektronen Synchrotron DESY, Hamburg

• HASYLAB/DORIS III: Synchrotronstrahlungsquelle

• PETRA III: neue Synchrotronstrahlungsquelle der 3. Generation (ab 2009)

Forschungszentrum Karlsruhe (FZK)

• ANKA: Synchrotronstrahlungsquelle

European Synchrotron Radiation Facility (ESRF), Grenoble

• ESRF: Synchrotronstrahlungsquelle.

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Freie Elektronen-Laser

Freie Elektronen-Laser stellen bei den Quellen zur Erzeugung höchstbrillanter Synchrotronstrahlung die nächste Generation dar. In Linearbeschleunigern auf hohe Energien beschleunigte Elektronen emittieren in den langen Magnetanordnungen (Undulatoren) eines Freie Elektronen-Lasers nicht nur extrem stark gebündeltes Synchrotronlicht, das millionen- bis millardenfach intensiver ist als die Synchrotronstrahlung aus Ringbeschleunigern, die erzeugte Strahlung wird zudem in sehr kurzen Pulsen abgegeben und ist - wie die Strahlung eines Lasers - völlig kohärent. Mit ihr können Prozesse in kondensierter Materie in 3D 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. Ein weiterer, sehr viel größerer Freie Elektronen - Laser für den Bereich harter Röntgenstrahlung, der Europäische XFEL, befindet sich vor der Realisierung.
Von BESSY ist der technische Entwurf zum Bau einer entsprechenden Anlage für den weichen Röntgenbereich ausgearbeitet worden.

Geförderte Großgeräte

Deutsche Elektronen Synchrotron DESY, Hamburg

• VUV Freie Elektronen - Laser FLASH

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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 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.
Vom BMBF geförderte Anlagen für Experimente mit nuklearen Sonden und Ionenstrahlen gibt es in Berlin (bis 2006), Darmstadt und Dresden. Außerdem ist Deutschland an den Anlagen im CERN beteiligt und unterstützt Forschungen am Paul Scherrer Institut (PSI) in der Schweiz.

Geförderte Großgeräte

Forschungszentrum Dresden - Rossendorf e.V. (FZD)

• Ionenstrahl-Labor;

Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI), Darmstadt

• Ionenbeschleuniger-Komplex;

CERN, Genf

• ISOLDE-, Rex ISOLDE - Anlagen

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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. Laser mit den erforderlich hohen Intensitäten befinden sich Berlin und Darmstadt.

Geförderte Großgeräte

Max-Born-Institut (MBI), Berlin

• Hochintensitätslaser;

Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI), Darmstadt

• PHELIX: Hochleistungslaser-Anlage.

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