Forschung mit Synchrotronstrahlung in Deutschland 2009 - SNI-Portal

STRUKTUR UND EIGENSCHAFTEN DER KONDENSIERTEN MATERIEFestkörper und weiche Materie ergründenDie Festkörperphysik profitiert in ihrer Vielfalt besondersvon den zahlreichen Untersuchungsmöglichkeiten, dieSynchrotronstrahlungsquellen zur Verfügung stellen.Die Festkörperphysik mit ihrer extremen Vielseitigkeit istder Wegbereiter für nahezu alle bisherigen und zukünftigentechnologischen Innovationen – angefangen von der Halbleitertechnologie,der Photovoltaik bis hin zur Informationstechnologie.Die Festkörperforschung analysiert und modelliertdabei die strukturellen, dynamischen, optischen und magnetischenEigenschaften sowie Transportaspekte von geordnetenund ungeordneten Materialien auf verschiedenen Längenskalen.Dabei kommt der Festkörpertheorie eine herausragende Rollezu: Sie erklärt fundamentale Zustände und Phasenübergänge,leitet optische, elektrische und magnetische Eigenschaften abund besitzt durch Simulation der Elektronendichte eine hoheVorhersagekraft für physikalische Parameter.Da auch die weiche Materie in Form von Polymeren, Mizellenund Kolloiden sowie organische Materialien und Flüssigkeitenin zunehmendem Maße in den Fokus der Festkörperforschungrücken, charakterisiert die Bezeichnung „Forschungder kondensierten Materie“ zutreffender die derzeitigenund zukünftigen Aktivitäten dieses Forschungsbereiches als dieältere Bezeichnung „Festkörperforschung“.Trotz der Vielfalt der untersuchten Materialien und ihrer Eigenschaftenkönnen in der heutigen Forschung drei Hauptrichtungenunterschieden werden:• ein vertieftes und fundamentales Verständnis von physikalischenEigenschaften bekannter Materialien,• die Kombination bekannter Materialien zur Erzeugungneuer bahnbrechender Eigenschaften,• die Entwicklung neuer Materialien mit maßgeschneidertenEigenschaften wie photonische Kristalle, Shape-memory-Legierungen, inklusive der Strukturierung durch Top-downoderBottom-up-Verfahren.Die Festkörperforschung benötigt grundsätzlich die gesamtePalette physikalischer Messmethoden, um die vielfältigenFacetten von geordneten oder ungeordneten Materialenauf Längenskalen bestimmen zu können, die vom Makroskopischenzum Nanoskopischen reichen. Bei dieser Analyse spieltdie Synchrotronstrahlung eine entscheidende Rolle, da sieeine besonders große Vielfalt analytischer Methoden zurVerfügung stellt. Zur Strukturbestimmung stehen Beugungsmethoden(XRD, XRR, SAXS, Standing waves), spektroskopischenMethoden (EXAFS) und mikroskopische Methoden (XTM,XPEEM, Holographie) zur Verfügung.Die Elektronenverteilung von Festkörpern sowie Korrelationseffektezwischen Elektronen können über zahlreiche spektroskopischeMethoden bestimmt werden, die vom fernenInfrarot bis zur harten Röntgenstrahlung reichen (THz-Spektroskopie,ARPES, Auger, nukleare Resonanz, etc.). Für magnetischeUntersuchungen ist die Palette der Methoden besondersgroß und umfasst sowohl magnetisch-sensitive resonanteStreumethoden (XRMS) als auch spektroskopische Methoden,mit deren Hilfe die Spin- und Orbital-Komponenten derMagnetisierung quantitativ bestimmbar sind (XMCD). Allediese Methoden können mit komplexen Probenumgebungenwie hohen Magnetfeldern, hohen Drücken und tiefen Temperaturenkombiniert werden.Viele Untersuchungsmethoden erfordern eine Präparationvon Proben im Ultrahochvakuum (in-situ). Darüber hinaus wirdinzwischen eine Reihe von Methoden, die bisher im Laborpraktiziert wurden, an Synchrotronstrahlungsquellen miterhöhter Intensität durchgeführt wie z. B. die Mößbauer-Spektroskopie, die ferromagnetische Resonanz sowie die Infrarot-und Terahertz-Spektroskopie.Weiterhin eröffnet der Vorstoß in bisher nicht erreichbareZeit- und Längendimensionen völlig neue Einblicke in die Strukturund Dynamik von Festkörpern. Z. B. zeigen Echtzeitexperimentemit Auflösungen bis in den Femtosekundenbereich ganzneue Experimentiermöglichkeiten auf, die wiederum zu neuenFragestellungen in der Festkörperphysik führen. Als Beispiel seidie überraschend schnelle Entmagnetisierung bestimmter Metallenach gepulster Anregung genannt, während die Remagnetisierungum Größenordnungen langsamer erfolgt. DerMechanismus dahinter ist noch ungeklärt (siehe Forschungsbeispielrechts).Sehr große Fortschritte sind in den letzten Jahren hinsichtlichder Fokussierung von Synchrotronstrahlung erzieltworden. Daher können im Bereich der Nanobeugung sowie derNanomikroskopie mit Synchrotronstrahlung an Clustern undQuantenpunkten große Fortschritte in der Zukunft erwartetwerden.24 Synchrotronstrahlung 2009