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Labor der Extreme am Röntgenlaser European XFEL bewilligt

Neue Möglichkeiten für Materialforschung, Geowissenschaften, Plasma- und Astrophysik

Gemeinsame Medieninformation von HZDR, DESY und European XFEL vom 29. Juni 2015

Der Senat der Helmholtz-Gemeinschaft gibt grünes Licht für die Beteiligung an einer neuartigen Experimentierstation am Röntgenlaser European XFEL in Hamburg: die „Helmholtz International Beamlines“ (HIB) werden mit knapp 30 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 (HZDR) 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 100 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 entsteht ein besonderer Zustand der Materie: ein Plasma aus Elektronen und Ionen.

Der Hochleistungslaser DiPOLE, den die britische Oxford University und die britische Wissenschaftsorganisation „Science and Technology Facilities Council“ (STFC) beisteuern, kann Materie in einen Zustand extremen Drucks und einer Temperatur von einigen 1.000 Grad Celsius versetzen. Die Zustände, die dabei in der Probe entstehen, sind vergleichbar mit denen im Inneren von Planeten. Außerdem sollen in speziellen, von DESY stammenden Diamant-Stempelzellen extrem hohe Drücke von bis zu zehn Millionen Bar und Temperaturen von mehr als 1.500 bis fast 10.000 Grad Celsius erzeugt werden. „Hier betreten wir wissenschaftliches Neuland, denn wir machen Experimente möglich, die bisher nicht realisierbar waren“, betont Prof. Helmut Dosch, Vorsitzender des DESY-Direktoriums. DESY ist 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.“

Einzigartige Kombination für verschiedenste Wissenschaftsbereiche

Neuartige Experimente zum Magnetismus sind mit gepulsten Magnetfeldern von 60 Tesla – 20-mal stärker als ein Magnetresonanz-Tomograph in der Medizin – möglich. Die Röntgenlaserblitze des European XFEL sollen während des Magnetpulses die elektronische Struktur der Probenmaterialien atomgenau und in Abhängigkeit von der Stärke des Magnetfeldes 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 Beamlines“ teilen sich auf in insgesamt drei Instrumentierungs-Projekte der Helmholtz-Gemeinschaft am European XFEL, die nun mit insgesamt 29,8 Millionen Euro gefördert werden sollen: „Helmholtz International Beamline for Extreme Fields“ (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.


Weitere Informationen:

Prof. Thomas Cowan
Institut für Strahlenphysik am HZDR / Leiter des internationalen HIBEF-Nutzerkonsortiums
Tel. +49 351 260 – 2270 | t.cowan@hzdr.de

Dr. Carsten Bähtz
Projektkoordinator „Helmholtz International Beamline for Extreme Fields“ am HZDR
Tel. +33 476 88 2367| E-Mail: c.baehtz@hzdr.de


Medienkontakte:

Dr. Christine Bohnet | Leiterin Kommunikation, Pressesprecherin
Tel. +49 351 260 2450 | E-Mail: c.bohnet@hzdr.de
Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) | Bautzner Landstr. 400 | 01328 Dresden

Dr. Thomas Zoufal | Pressesprecher
Tel. +49 40 8998-1666 | E-Mail: thomas.zoufal@desy.de
Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) | Notkestr. 85 | 22607 Hamburg

Dr. Bernd Ebeling | Group leader Press and Public Relations
Tel. +49 40 8998-6921 | E-Mail: bernd.ebeling@xfel.eu
European XFEL GmbH | Albert-Einstein-Ring 19 | 22761 Hamburg, Deutschland