Nachricht vom 18. Mai 2018

Theoretische Physik: Neue Gruppe am HZDR

Schwarze Löcher, das expandierende Universum, geladene Teilchen im Vakuum oder die faszinierenden Eigenschaften des „Wundermaterials“ Graphen: Die Bandbreite an Themen, mit denen sich Prof. Ralf Schützhold beschäftigt, ist groß. Seit April leitet er am HZDR die neu eingerichtete Gruppe „Theoretische Physik“, die direkt an den Wissenschaftlichen Vorstand Prof. Roland Sauerbrey angebunden ist. Damit ist die Gruppe den acht Instituten des Zentrums gleichgestellt.

Prof. Ralf Schützhold, Leiter der HZDR-Gruppe Theoretische Physik

Prof. Ralf Schützhold

Foto: HZDR

„Die Starkfeld-Physik, die mich als Theoretiker interessiert, wird im Institut für Strahlenphysik experimentell vorangetrieben – und das mit erstklassiger Infrastruktur. Bei den Hochleistungs-Lasern DRACO und PENELOPE geht es um die Quanten-Elektrodynamik in extrem starken Feldern. An HIBEF, der Helmholtz International Beamline for Extreme Fields am Röntgenlaser European XFEL, reizen mich die Experimente zum Vakuum, die dort möglich sein werden“, erläutert Ralf Schützhold.

Das Bild, das sich der Laie vom angeblich leeren Vakuum macht, ist schlichtweg falsch. Physiker stellen sich zum Vakuum einen Raum vor, der angefüllt ist mit Elektronen. Diese sieht man jedoch aufgrund ihrer negativen Energie nicht. Mit einem genügend starken elektrischen Feld sollte man diese Elektronen aber sichtbar machen können: Aus dem Vakuum würde dann ein Elektron-Positron-Paar entstehen (Positronen sind die Anti-Teilchen zu den Elektronen). „Wie solch ein Elektron-Positron-Paar entsteht, konnte bisher noch nicht im Experiment beobachtet werden, nicht zuletzt, weil die Erzeugung enorm viel Energie, also ein extrem starkes elektrisches Feld benötigt“, so der neue Gruppenleiter. Diese Beobachtung könnte an HIBEF geschehen: Dort soll ein hochintensiver Laserpuls Energie in das Vakuum pumpen und gemeinsam mit Röntgenblitzen des weltstärksten Röntgenlasers XFEL Elektron-Positron-Paare aus dem Vakuum erzeugen.

Wie das Vakuum auf Licht reagiert

Auch der geplante Versuch zu den optischen Eigenschaften des Vakuums im Extremlabor in Schenefeld bei Hamburg interessiert den Theoretiker sehr. Die Idee dazu hatte Prof. Roland Sauerbrey, Wissenschaftlicher Vorstand des Helmholtz-Zentrums, bereits im vergangenen Jahrzehnt. Die unsichtbaren Elektronen im Vakuum erzeugen kleine elektrische Dipole, die mit Licht wechselwirken sollten. Der Plan: Ein ultrastarker Puls vom Hochleistungslaser soll die Dipole ausrichten. In der Folge dreht sich die Polarisation der Röntgenblitze, die vom Freie-Elektronen-Laser XFEL stammen. Damit wäre nachgewiesen, dass das Vakuum tatsächlich mit Licht interagiert.

Eine weitere Fragestellung, die den Starkfeld-Physiker umtreibt, lautet: Was emittiert ein Elektron, wenn es extrem starkem Laserlicht ausgesetzt ist? Möglicherweise zwei verschränkte Photonen, meint Ralf Schützhold: „Die Herausforderung für dieses Experiment liegt nun nicht nur darin, ein ausreichend starkes Laserfeld zu generieren. Bei dem extrem selten auftretenden Effekt müssen wir das Photonen-Paar vom rauschenden Hintergrund abgrenzen. In Millionen von Laserpulsen kommt es vielleicht zu einem Vorfall. Und den müssen wir eindeutig identifizieren können.“

„Ich wünsche mir, dass die Forschungsarbeiten meiner Gruppe viele Experimente am HZDR tatkräftig unterstützen werden“, betont Ralf Schützhold, der seit kurzem eine Professur für Theoretische Physik an der TU Dresden innehat. Dort startete er seine Laufbahn mit einem Physikstudium. Nach einem zweijährigen Aufenthalt an der University of British Columbia im kanadischen Vancouver – unterstützt durch das Postdoktoranden-Programm der Alexander von Humboldt-Stiftung – zog es ihn wieder zurück nach Dresden. Von 2003 bis 2008 leitete er hier eine von der DFG finanzierte Emmy-Noether-Gruppe, um dann als Professor an die Uni Duisburg-Essen zu wechseln. Am HZDR sieht Ralf Schützhold neben dem Institut für Strahlenphysik beispielsweise auch zum Hochfeld-Magnetlabor Dresden oder zu Dr. Stephan Winnerl mit seinen Forschungsarbeiten zu Graphen im Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung passfähige Anknüpfungspunkte.


Weitere Informationen:

Prof. Ralf Schützhold
Tel. +49 351 260 - 3618
E-Mail r.schuetzhold@hzdr.de