Labor der Extreme

  • 03. July 2015

Grünes Licht für „Helmholtz International Beamline for Extreme Fields“ am European XFEL.

Der Senat der Helmholtz-Gemeinschaft gibt grünes Licht für die Beteiligung an einer neuartigen Experi­mentier­station am Röntgen­laser European XFEL in Hamburg: die „Helmholtz International Beamline“ wird mit knapp dreißig Millionen Euro gefördert. Der größte Anteil fließt in das Extremlabor HIBEF – „Helmholtz International Beamline for Extreme Fields“. Dieses stattet die Station für Experimente bei hohen Energie­dichten („High-Energy Density Science Instrument“, HED) mit wesentlicher Instrumen­tierung aus. Antragsteller für das interna­tionale HIB-Nutzer­konsortium sind das Helmholtz-Zentrum-Dresden-Rossen­dorf und das Forschungszentrum DESY in Hamburg.

Ab 2018 sollen mit HIBEF Untersuchungen unter extremen Bedingungen wie hohen Drücken, Tempera­turen oder elektro­magnetischen Feldern möglich sein. Die dabei gewonnenen Erkennt­nisse lassen sich beispiels­weise zur Ver­bes­serung von Modellen der Planeten­entstehung nutzen und bieten eine Grundlage für Innovationen in der Material- und Beschleuniger­forschung. „Das inter­natio­nale Interesse an dem gemeinsamen Extremlabor ist riesig“, freut sich Prof. Roland Sauerbrey, Wissen­schaftlicher Vorstand des HZDR. „Rund hundert Einrich­tungen haben bereits Interesse bekundet.“ Das HZDR trägt eine Anlage zur Unter­suchung von Materialien in höchsten Magnet­feldern und einen Hoch­leistungs­laser für ultrakurze Lichtpulse bei, der Elektronen an der Ober­fläche eines Materials auf einige Milliarden Grad erhitzen kann. So ein Plasma aus Elektronen und Ionen.

Beschleuniger-Module des Röntgenlasers European XFEL (Bild: DESY)

Abb.: Beschleuniger-Module des Röntgen­lasers European XFEL (Bild: DESY)

Der Hochleistungslaser DiPOLE, den die britische Oxford University und die britische Wissen­schaft­sorgani­sation STFC beisteuern, kann Materie in einen Zustand extremen Drucks und einer Temperatur von einigen 10.000 Grad Celsius versetzen. Die Zustände, die dabei in der Probe entstehen, sind vergleichbar mit denen im Inneren von Planeten. Außerdem sollen spezielle, von DESY stammende Diamant-Stempel­zellen extrem hohe Drücke von bis zu zehn Millionen Bar und Temperaturen von mehr als 1.500 bis fast 10.000 Grad erzeugen. „Hier betreten wir wissen­schaft­liches Neuland, denn wir machen Experimente möglich, die bisher nicht realisierbar waren“, betont Prof. Helmut Dosch vom DESY, dem Kon­sortiums­partner und Haupt­gesell­schafter des European XFEL.

Extreme Bedingungen lassen sich allerdings immer nur für winzige Sekunden­bruch­teile erzeugen. Deswegen sind die äußerst kurzen und hoch­intensiven Röntgen­laser­blitze des European XFEL bestens zu ihrer Analyse geeignet. „Die neue Station wird es uns ermöglichen, extreme Bedingungen aus dem All auf die Erde zu holen, um sie mit der Röntgen­laser­strahlung untersuchen zu können“, so Prof. Massimo Altarelli, Vorsitzender der Geschäftsführung von European XFEL. „Wir freuen uns sehr, dass die künftigen Nutzer so engagiert zur Entstehung einer führenden europä­ischen Forschungs­einrichtung beitragen.“

Neuartige Experimente zum Magnetismus sind mit gepulsten Magne­tfeldern von 60 Tesla möglich – zwanzig­mal mehr als in einem Magnet­resonanz-Tomo­graphen in der Medizin. Die Röntgen­laser­blitze des European XFEL sollen während des Magnet­pulses die elektro­nische Struktur der Proben­materialien atomgenau und in Abhäng­igkeit von der Stärke des Magnet­felds untersuchen. Das daraus resultierende Grund­lagen­verständnis ermöglicht innovative Anwendungen, etwa in der Elektronik. Ein weiterer Schwerpunkt der Experimente liegt auf der Plasma­physik. Plasmen sind besondere Zustände der Natur, die in Sternen ebenso vorkommen wie bei der Beschleu­nigung von Teilchen mithilfe intensiver Laser­strahlung. Zum Zusammen­spiel von Licht und Materie, das auf Plasma­prozessen beruht, existieren noch viele offene Fragen.

Die Untersuchung von Materie unter extremen Bedingungen betrifft beispiels­weise aber auch Studien zum Vakuum. Ein Vakuum ist nicht einfach nur leer, vielmehr entstehen dort Teilchen und Anti­teilchen. Deshalb kann ein Vakuum in Wechsel­wirkung mit sehr starken elektro­magnetischen Feldern treten. Die Forscher wollen den optischen Laser aus dem HZDR auf den Röntgen­strahl des European XFEL richten, um mehr über die optischen Eigen­schaften des Vakuums zu erfahren. Der vom HZDR zur Verfügung gestellte Hoch­leistungs­laser produziert pro Sekunde zehn ultrakurze Pulse mit einer Leistung von 100 Terawatt.

Der DiPOLE-Laser im Wert von knapp elf Millionen Euro wird an der „Central Laser Facility“ des STFC gebaut. Er liefert eine Frequenz von zehn Pulsen pro Sekunde und eine Leistung von zehn Gigawatt. Mit ihm sollen die Eigen­schaften von Materie bei Bedingungen untersucht werden, die denen im Inneren von Planeten innerhalb und außerhalb unseres Sonnen­systems entsprechen. Kennt man diese Eigenschaften, lassen sich deutlich präzisere Modelle für die Planeten­entstehung und Planeten­evolution erstellen.

„Die Experimente werden sehr begehrt sein – bei Material- und Geo­forschern ebenso wie bei Astro- und Plasma­physikern, aber auch bei Biologen und Chemikern“, ist Prof. Thomas Cowan, Leiter des internationalen Nutzer­konsortiums und Instituts­direktor am HZDR, sicher. Die Kombination des European XFEL als Analyse­werkzeug mit höchsten Magnet­feldern oder den Experi­mentier­möglich­keiten mit verschie­denen optischen Laser­systemen verfolgt das Ziel, neue Erkennt­nisse zu bisher verborgenen Vorgängen in Materie und Materi­alien zu gewinnen.

Die „Helmholtz International Beamline“ teilt sich auf in drei Instru­mentierungs-Projekte der Helmholtz-Gemein­schaft am European XFEL, die nun mit insgesamt 29,8 Millionen Euro gefördert werden sollen: HIBEF, „Serial Femtos­econd X-Ray Crystallo­graphy“ (SFX) und „Heisenberg Resonant Inelastic X-Ray Scattering“ (hRIXS). Die Entscheidung des Helmholtz-Senats vom 24. Juni 2015 hat den Weg dafür bereitet, die endgültige Freigabe der Finan­zierung liegt nun bei den Zuwendungs­gebern des Bundes und der Länder.

HZDR / OD

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