Forschung mit Synchrotronstrahlung in Deutschland 2009 - SNI-Portal

ATOME, MOLEKÜLE, CLUSTER UND FREIE NANOTEILCHENEinfaches untersuchen, um Komplexes zu verstehenDas Studium einfacher Objekte wie Atomen und Molekülenstellt einen wichtigen Schlüssel zum Verständnis derkomplexen Natur da. Neue Strahlungsquellen dringendabei in unbekannte Regionen vor.Grundlegende Eigenschaften der Materie werden mit Synchrotronstrahlungseit langem an einfachen Objekten in derGasphase untersucht. Hierzu gehören Atome, Moleküle, Clusterund Nanopartikel. Ein genaues Verständnis der Elektronenverteilungund des zeitlichen Verhaltens dieser relativ einfachenBausteine ist von grundlegendem Interesse, um die deutlichkomplexeren Prozesse in kondensierter Materie zu verstehen.Darüber hinaus sind Atome und Moleküle in den BereichenAstrophysik und atmosphärische Umwelt von Bedeutung, sodass entsprechende Experimente mit Synchrotronstrahlungauch einen Beitrag zur Forschung in diesen Gebieten leisten.Die Atom-, Molekül- und Clusterphysik hat in den vergangenenJahren unter Nutzung von Synchrotronstrahlungsquellender dritten Generation entscheidende Schritte getan:Hochauflösende Studien, teils in Verbindung mit Laserstrahlung,liefern wichtige Beiträge zum Verständnis der Abläufe aufkürzesten Zeitskalen bis in den Femtosekundenbereich. Hierzugehört die Ionisation durch Photonen, die Relaxation der durchIonisation gebildeten angeregten Zustände, der nachfolgendeZerfall in geladene und neutrale Bruchstücke sowie die Kopplungelektronisch angeregter Zustände (siehe Forschungsbeispiel).Dies schließt auch die aus quantentheoretischer Sichtäußerst interessante winkel-, spin- und energieaufgelöstenMessung der Photoemission ein. Durch gleichzeitigen Nachweisder geladenen Bruchstücke lassen sich die Mechanismen derZerfälle hochgeladener Ionen bestimmen.Künftige Entwicklungen zu Studien an Atomen, Molekülen,Clustern und freien Nanopartikel sind eng mit der Verfügbarkeitneuer Quellen für hochbrillante Strahlung verbunden. Hierzugehören zum Beispiel zeit- und wellenlängenabhängige Untersuchungenim weichen Röntgen- und angrenzenden Vakuum-Ultraviolettbereich, die mit neuen Methoden (z. B. derFourier-Transformation-Spektroskopie) einen deutlichen Fortschrittgegenüber traditionellen Methoden (Gitter-Spektroskopie)liefern. Hochbrillanzquellen werden es ermöglichen,Objekte variabler Größe und Komplexität in hochverdünnterGasphase zu untersuchen. Hierzu gehören u. a. Radikale, angeregteAtome, Moleküle sowie Ionen einschließlich Clustern, diebis in den Bereich der Nanopartikel reichen. Hier richten sichdie Hoffnungen auf die neue Quelle PETRA III, die weiter verbesserteQuelle BESSY II sowie künftige ERL-Quellen. Damit wirdes in Verbindung mit verfeinerten Verfahren der Probenpräparationund Detektion möglich, mit besonderer Genauigkeitund Selektivität einzelne Quantenzustände zu untersuchen.Durch Freie-Elektronen-Laser hat das Feld der Atom-, Molekül-und Clusterphysik besonders profitiert. Hier konnte bereitsin Pionierexperimenten wissenschaftliches Neulandbeschritten werden (siehe FLASH). Wohlbekannte Systeme wieeinfache Atome, Moleküle und Cluster sind besonders gut dazugeeignet, die Physik in dem bisher weitgehend unbekanntenGebiet der extrem starken Felder, wie sie mit Hilfe von Freie-Elektronen-Lasern erreicht werden können, zu studieren unddie experimentellen Beobachtungen mit theoretischen Modellrechnungenzu vergleichen.Zeitliche Prozesse in Atomen und Molekülen liegen im Bereichunter hundert billiardstel Sekunden. Untersuchungen dieserProzesse erfordern hochintensive und kurze Röntgenblitzeaus Freie-Elektronen-Lasern, teils in Verbindung mit Kurzpulsblitzenaus modernen Laserquellen. Das Ziel liegt darin, das zeitlicheVerhalten in Echtzeit an einfachen, wohldefiniertenModellsystemen untersuchen zu können. In Verbindung mit dergezielten Kontrolle der Kern- und Elektronendynamik wird esmöglich sein, Prozesse bis hin zu grundlegenden Beiträgen zumVerständnis von Quanteninformation und deren Nutzungsowohl im Spin- als auch im Ortsraum zu erforschen. Die Erwartungenrichten sich an die stetige Verbesserung der Strahlungsquellenbezüglich ihrer Stabilität, Brillanz, Kohärenz undeinfachen Durchstimmbarkeit. Die Leistungsfähigkeit künftigerQuellen wird einen Beitrag dazu leisten, neuartige Studien anAtomen, Molekülen, Clustern und freien Nanopartikeln im Bereichder harten Röntgenstrahlung voranzutreiben, um hier bisherunbekannte Phänomene zu entdecken. Hierfür wird derkünftige European XFEL eine Schlüsselstellung einnehmen.26 Synchrotronstrahlung 2009