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Prof. Dr. Thomas Cowan

Director Institute of Radiation Physics
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Prof. Dr. Dominik Kraus

Group Lea­der / Professor at Uni­versity of Rostock
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High Energy Density
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HIBEF 2.0

Nachdem HIBEF angefangen hat, erfolgreich den Betrieb am European XFEL aufzunehmen, wird nun auf weiteren aktuellen Fortschritten der Lasertechnologie basierend an der nächsten Phase (HIBEF 2.0) gearbeitet. Dieser Ausbau wird weitere revolutionäre Experimente im Bereich Hochenergiedichte- und Starkfeldphysik ermöglichen. Eine breite internationale Forschercommunity ist dabei, die konkreten Anforderungen für diese Anlage auf dem aktuellsten Stand der Technik zu definieren. Insbesondere soll errichtet werden:

  1. Ein optisches Hochenergielasersystem mit kJ-Pulsenergien im Nanosekundenbereich mit Repetitionsraten von ca. einem Laserschuss pro Minute am European XFEL.
  2. Ein Femtosekundenfrontend sowie einen optischen Kompressor für das unter a) genannte System zur Ermöglichung von Hochintensitätslaserexperimenten an European XFEL mit Pulsenergien über 100 J.

Damit sollen die folgen wissenschaftlichen Fragestellungen untersucht werden:

  1. Neuartige Materialien: Neben ein paar wenigen Einblicken durch pionierartige Experimente an konventionellen Hochenergielasersystemen (Schuss/Stunde oder Schuss/Tag), ist das Verhalten von Materie bei Drücken über 400 GPa nahezu unbekannt. Ein auf der neuesten Technologie basierendes kJ-Lasersystem in Kombination mit European XFEL wird nie dagewesene Einblicke in die Struktur von Materialien bei Drücken um und über 1 TPa erlauben und damit auch aktuelle Diamantstempelzellenstudien bei tieferen Temperaturen komplementär erweitern. Dabei werden Bedingungen angestrebt, die niemals natürlich auf der Erde vorhanden waren (höhere Drücke als im Zentrum unseres Planeten und tiefere Temperaturen im Vergleich zu großen Meteoriteneinschlägen). Deshalb ist zu erwarten, dass viele unbekannte neuartige Materialstrukturen gefunden werden, von denen sich einige möglicherweise bei Normalbedingungen als metastabil und nützlich für Anwendungen erweisen. Ein Beispiel ist die vorhergesagte aber noch nicht experimentell nachgewiesene BC-8 Phase von Kohlenstoff, die sich um 1 TPa bilden soll und Berechnungen zufolge unter Normalbedingungen als metastabil erwartet wird und dabei ähnlich hart wie Diamant aber gleichzeitig weniger spröde sein soll.
  2. Planetologie: Aktuelle Beobachtungen von Exoplaneten legen nahe, dass sog. Mini-Neptuns und Supererden die häufigsten Planetentypen unserer Galaxie sind, aber in unserem Sonnensystem keine Entsprechung finden. Der Druck im Inneren solcher Planeten liegt im Bereich von 1 TPa bei Temperaturen von einigen tausend Kelvin. Ihre innere Struktur wird höchstwahrscheinlich von exotischen Phasenübergängen und chemischen Reaktionen bestimmt, die direkten Einfluss auf die Beschaffenheit der Oberfläche und das Vorhandensein von umgebenden Magnetfeldern ausüben, und damit auf die Frage, ob Leben an solchen Orten in vergleichbarer Form wie auf unserem Planeten möglich sein könnte. Weiterhin treten Drücke um 1 TPa und Temperaturen von mehr als 10.000 K bei großen Einschlägen auf, wie sie z.B. in der Frühzeit des Sonnensystems auf der Erde sehr häufig waren. Die HIBEF 2.0-Infrastruktur wird erlauben, relevante Materialien wie z.B. Silikate und Eisen bei diesen Bedingungen zu untersuchen und damit die experimentelle Basis zu schaffen, wie die Planeten, oder auch unser Mond, im Sonnensystem entstanden sind.
  3. Extreme Felder: Hochenergielasersysteme wie das vorgeschlagene kJ-System können für kurze Zeiten (~Nanosekunden) extreme Magnetfelder im Bereich von mehreren Kilotesla erzeugen. In Verbindung mit European XFEL ergeben sich nie dagewesene Möglichkeiten, den Einfluss dieser Felder auf Materie zu untersuchen. Dies wird unter anderem komplementäre Experimente zu Studien mit gepulsten Spulen erlauben, die üblicherweise Felder bis zu 100 T erreichen. Weiterhin wird das vorgeschlagene Femtosekundenfrontend für das kJ-Lasersystem detaillierte Studien der elektromagnetischen Eigenschaften des physikalischen Vakuums erlauben, während mit dem vorhandenen System vor allem qualitative Prinzipienstudien zu erwarten sind. Zusätzlich wird das neue System die Untersuchung höchster Feldstärken in der Laser-Materie-Wechselwirkung erweitern, die beispielsweise komplexe Prozesse in der Laserteilchenbeschleunigung antreiben und optimal für das isochore Heizen von Materialen zu extremen Temperaturen geeignet sind.
  4. Laborastrophysik: HIBEF 2.0 wird außerdem erlauben, Experimente durchzuführen, die skaliert Rückschlüsse auf astrophysikalische Prozesse ermöglichen. Insbesondere sollen die Plasmaexpansion und hydrodynamische Instabilitäten ähnlich wie in Supernovae, Materieflüsse wie bei Akkretionsprozessen um weiße Zwerge sowie der Energietransport in Sternen untersucht werden.

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