Laser bringt Licht in die Materie
Um kleinste Strukturen zu erforschen, braucht man nicht nur Fingerspitzengefühl. Modernste Messmethoden wie die Laserspektroskopie und die Rasterkraftmikroskopie helfen dabei, elementare Vorgänge zu verstehen. Drei Forschungsprojekte an der Universität Duisburg-Essen (UDE) nutzen diese Techniken und waren jetzt bei der Ausschreibung „Erforschung kondensierter Materie an Großgeräten“ des Bundesministeriums für Bildung und Forschung erfolgreich. Sie werden künftig mit mehreren hunderttausend Euro gefördert. Die UDE-Physiker arbeiten dabei mit Fachkollegen in Hamburg, Berlin und Darmstadt zusammen.
Die Forscher um Dr. Klaus Sokolowski-Tinten analysieren Prozesse, die bspw. bei der Präzisionsmaterialbearbeitung mit Lasern wichtig sind. Ihr Projekt wird als Teil des BMBF-Forschungsschwerpunktes 301 „FLASH: Materie im Licht extrem kurzer und intensiver Röntgenpulse“ in den nächsten drei Jahren mit 800.000 Euro unterstützt. Die Wissenschaftler interessiert, was genau passiert, wenn Festkörperoberflächen mit intensiven ultrakurzen Laserimpulsen bestrahlt werden. Dazu nutzen sie den Freie-Elektronen-Laser FLASH beim HASYLAB in Hamburg, der eine kurze Emissionswellenlänge - bis in den weichen Röntgenbereich - mit ultrakurzer Impulsdauer, räumlicher Kohärenz und extrem hoher Brillanz verbindet. So lässt sich die schnelle Bewegung von Atomen in Echtzeit verfolgen. Es werden einzelne Bilder aufgenommen, die man - wie in einem Trickfilm - aneinanderreihen kann. Mit den Laserpulsen können diese Prozesse nicht nur untersucht, sondern auch gezielt gesteuert werden.
„Wir entwickeln neuartige Messverfahren, mit denen wir Prozesse entschlüsseln, die bei der lasergestützten Materialbearbeitung oder bei der Herstellung dünner Schichten und von Nano-Partikeln durch Laserablation eine wesentliche Rolle spielen. FLASH bietet uns dabei ganz neuartige Möglichkeiten“, erklärt Dr. Sokolowski-Tinten, der zudem mit Kollegen der Universitäten Kaiserslautern, Jena, Rostock und Kassel sowie dem Centre for Free-Electron-Laser Science Hamburg zusammenarbeitet.
Magnetische Phänomene
Das zweite Projekt mit dem Titel „Femtosekunden-zeitaufgelöste Spektroskopie kondensierter Materie mit weicher Röntgenstrahlung bei resonanter optischer Anregung (FEMTOSPEX)“ leitet Prof. Dr. Uwe Bovensiepen. Hier werden Wechselwirkungen von Elektron-Loch-Paaren, Schwingungen und Spinanregungen in komplexen Festkörpersystemen und Flüssigkeiten erforscht. Das BMBF stellt dafür in den nächsten drei Jahren 700.000 Euro zur Verfügung.
Die Untersuchungen finden in enger Kooperation mit dem Helmholtz-Zentrum für Materialien und Energie statt, das den Elektronenspeicherring BESSY II betreibt. Dieses Femtosekunden-Strahlrohr ist eines von weltweit drei Anlagen, die variable Röntgenstrahlung in kurzen Pulsen im Femtosekundenbereich erzeugen. Einzigartig für die Berliner Anlage sind zirkular polarisierte Röntgenpulse - perfekt zur Analyse magnetischer Phänomene.
„So werden wir die Laboruntersuchungen ultraschneller Phänomene entscheidend ergänzen können. Die Spektroskopie mit weicher Röntgenstrahlung ermöglicht eine elementspezifische Analyse, die in komplexen Systemen besonders schnell ist“, sagt Professor Bovensiepen.
Winzigste Veränderungen erkennen
Um die „Ioneninduzierte Strukturbildung“ in Festkörpern geht es bei dem dritten Projekt. Dazu haben sechs Arbeitsgruppen verschiedener Universitäten gemeinsam BMBF-Mittel in Höhe von insgesamt 1,4 Mio. Euro eingeworben. Das Teilprojekt der Arbeitsgruppe Schleberger an der UDE konzentriert sich auf nanoskalige Systeme und wird mit mehr als 300.000 Euro gefördert. In den nächsten drei Jahren sollen an einem Beschleuniger des GSI Helmholzzentrums für Schwerionenforschung in Darmstadt unterschiedliche Materialien mit schnellen Ionen bestrahlt und deren Auswirkungen untersucht werden.
Dazu wird ein Rasterkraftmikroskop direkt am Strahlrohr des Beschleunigers installiert, so dass die bestrahlten Proben zeitnah und unter Ultrahochvakuumbedingungen untersucht werden können. „Mit einem solchen Rasterkraftmikroskop lassen sich Veränderungen der Probenoberfläche beobachten, die mitunter nur die Größe eines einzelnen Atoms haben. Diese einzigartige Möglichkeit liefert neue Erkenntnisse und Ideen, wie unterschiedliche Materialien, aber auch Materialverbindungen und -systeme, durch Ionen auf der Sub-Nanometerskala beeinflusst und verändert werden können“, erläutert Professorin Schleberger. Die Grundlagenforschung bildet damit den Ausgangspunkt für mögliche spätere Anwendungen, die auf einer weiteren Miniaturisierung und neuen Technologien basieren.
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