Forschung mit Synchrotronstrahlung in Deutschland 2009 - SNI-Portal
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MATERIE UNTER EXTREMEN BEDINGUNGENMehrfach-extreme Bed<strong>in</strong>gungen erforschen<strong>Synchrotronstrahlung</strong> bietet e<strong>in</strong>zigartige Möglichkeiten,Materie unter extremen Bed<strong>in</strong>gungen zu erforschen. E<strong>in</strong>eBündelung der deutschen Anstrengungen wird zu <strong>in</strong>ternationalerWettbewerbsfähigkeit führen.Neben Zusammensetzung, Temperatur und externen Feldernist der Druck e<strong>in</strong> fundamentaler Parameter, um die chemischen,physikalischen und biologischen Eigenschaften vonMaterie zu verändern. Durch Fortschritte <strong>in</strong> der Detektortechniks<strong>in</strong>d hier bei der <strong>Forschung</strong> <strong>mit</strong> <strong>Synchrotronstrahlung</strong> <strong>in</strong> denletzten Jahren wichtige Durchbrüche erzielt worden. Die <strong>Forschung</strong>sschwerpunkteumfassen die Gebiete Physik, Chemie,Geo- und Materialwissenschaften sowie zunehmend auch Biologie.Charakteristisch ist e<strong>in</strong>e enge Verzahnung der experimentellenArbeiten <strong>mit</strong> Berechnungen der elektronischenStruktur und Computersimulationen. <strong>Synchrotronstrahlung</strong> istfür viele Arbeiten von besonderer Bedeutung, da die Größe derProben oft deutlich unter e<strong>in</strong>em zehntel Millimeter Kantenlängeliegt. Nur die Intensität und hohe Auflösung von <strong>Synchrotronstrahlung</strong>squellender dritten Generation ermöglicht die Bestimmungvon komplexen Strukturmustern, deren <strong>in</strong>teressanteOrganisation e<strong>in</strong>e Reihe von hochkarätigen Veröffentlichungenhervorgebracht hat.Der Trend geht zur Komb<strong>in</strong>ation unterschiedlicher extremerBed<strong>in</strong>gungen: z. B. hoher Druck und sehr tiefe Temperatur(Physik), hoher Druck und sehr hohe Temperatur (Chemie, Geowissenschaften,Materialforschung) oder hoher Druck bei tiefenTemperaturen und starken magnetischen Feldern (Festkörperphysik).Letztlich sollen die Ergebnisse dieser Messungen zue<strong>in</strong>em gezielten Materialdesign führen.Instrumentelle Verbesserungen ermöglichen nicht nur dieStrukturuntersuchung grundlegender Materialien wie chemischerElemente, e<strong>in</strong>facher Moleküle oder Gasmischungen, dieauch für die Planetenphysik relevant s<strong>in</strong>d, sondern tragen auchzur Strukturanalyse anorganischer Werkstoffe und Supraleiterbei. Dadurch können neue Felder wie das der Bio- oder Geomaterialienweiter erschlossen werden. Zur letzten Gruppe gehörenauch superharte Stoffe, die <strong>in</strong> der Werkstoffbearbeitunge<strong>in</strong>e auch wirtschaftlich zentrale Rolle spielen.Die im Bereich extremer Bed<strong>in</strong>gungen arbeitenden Wissenschaftlers<strong>in</strong>d <strong>in</strong> <strong>Deutschland</strong> stark zersplittert: Zwei Geoforschungs<strong>in</strong>stitute,drei Max-Planck-Institute und etwa zehnUniversitäten nutzten m<strong>in</strong>destens neun europäische Strahlungsquellenfür Arbeiten bei hohen Drücken. Die Koord<strong>in</strong>ationder deutschen Aktivitäten wurde und wird gegenwärtig fastausschließlich über Schwerpunktprogramme der DFG geleistet.Im Gegensatz dazu haben sich andere Nationen an der Weltspitzeentschieden, entweder starke Gruppen an den <strong>Synchrotronstrahlung</strong>squellenzu organisieren oder die Expertise <strong>in</strong>selbstständigen Gruppen oder Instituten zu bündeln: In Japan<strong>mit</strong> sieben Wissenschaftlern (NIMS), <strong>in</strong> den USA <strong>mit</strong> zehn Wissenschaftlern(Universität Chikago am APS) und <strong>in</strong> Großbritannien<strong>mit</strong> 50 Wissenschaftlern (CSEC). Diese Strategie ist auchden <strong>in</strong>strumentell anspruchsvollen Komb<strong>in</strong>ationen mehrerer extremerBed<strong>in</strong>gungen geschuldet. Dieser Trend ist nur <strong>mit</strong> Kont<strong>in</strong>uitätan technischem und wissenschaftlichem Know-how –und da<strong>mit</strong> Personal – zu bewältigen. Daher ist es für e<strong>in</strong>en Erfolgder Hochdruckstation von Petra III bei DESY von grundlegenderBedeutung, die bestehende Infrastruktur gezieltweiterzuentwickeln. Die dazu vorgesehene relativ kle<strong>in</strong>e Abteilungder Hochdruck-Spezialisten am DESY sollte zu diesemZweck durch e<strong>in</strong>e wissenschaftlich breiter orientierte Gruppeim Bereich „Extreme Bed<strong>in</strong>gungen“ an der Universität Hamburgunterstützt und ergänzt werden. Diese muss die Bandbreite von(Festkörper-)Physik über Materialsynthese bis zu biologischenFragestellungen abdecken; dabei s<strong>in</strong>d Prioritäten zu setzen. Aufgrunddes erheblichen <strong>in</strong>strumentellen Aufwands ist e<strong>in</strong>e Ausstattung<strong>mit</strong> eigenen f<strong>in</strong>anziellen Mitteln wesentlich, um <strong>mit</strong>konzentrierter und langfristig angelegter Expertise e<strong>in</strong> nationalrelevantes und <strong>in</strong>ternational sichtbares Kompetenzzentrum <strong>in</strong>der europäischen <strong>Forschung</strong>slandschaft zu schaffen. Parallel zuder geplanten Laserheizung und dem E<strong>in</strong>satz kondensierterGase wird es Durchsatz und Qualität der E<strong>in</strong>richtung steigern,neue Synthesemethoden abdecken, ergänzende spektroskopischeMessmöglichkeiten aufbauen und Technologien für die Erzeugungvon Drücken oberhalb von e<strong>in</strong>em Megabar zurallgeme<strong>in</strong>en Verfügung stellen.Dabei können <strong>in</strong> der deutschen Synchrotronlandschaftneben PETRA III als Quelle der dritten Generation, welche dieHauptlast der Beugungsexperimente bewältigen wird, Quellender zweiten Generation ergänzende Techniken wie optischeSpektroskopie <strong>in</strong>ternational wettbewerbsfähig abdecken.30 <strong>Synchrotronstrahlung</strong> <strong>2009</strong>