Forschung mit Synchrotronstrahlung in Deutschland 2009 - SNI-Portal

MATERIE UNTER EXTREMEN BEDINGUNGENMehrfach-extreme Bedingungen erforschenSynchrotronstrahlung bietet einzigartige Möglichkeiten,Materie unter extremen Bedingungen zu erforschen. EineBündelung der deutschen Anstrengungen wird zu internationalerWettbewerbsfähigkeit führen.Neben Zusammensetzung, Temperatur und externen Feldernist der Druck ein fundamentaler Parameter, um die chemischen,physikalischen und biologischen Eigenschaften vonMaterie zu verändern. Durch Fortschritte in der Detektortechniksind hier bei der Forschung mit Synchrotronstrahlung in denletzten Jahren wichtige Durchbrüche erzielt worden. Die Forschungsschwerpunkteumfassen die Gebiete Physik, Chemie,Geo- und Materialwissenschaften sowie zunehmend auch Biologie.Charakteristisch ist eine enge Verzahnung der experimentellenArbeiten mit Berechnungen der elektronischenStruktur und Computersimulationen. Synchrotronstrahlung istfür viele Arbeiten von besonderer Bedeutung, da die Größe derProben oft deutlich unter einem zehntel Millimeter Kantenlängeliegt. Nur die Intensität und hohe Auflösung von Synchrotronstrahlungsquellender dritten Generation ermöglicht die Bestimmungvon komplexen Strukturmustern, deren interessanteOrganisation eine Reihe von hochkarätigen Veröffentlichungenhervorgebracht hat.Der Trend geht zur Kombination unterschiedlicher extremerBedingungen: 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 zueinem gezielten Materialdesign führen.Instrumentelle Verbesserungen ermöglichen nicht nur dieStrukturuntersuchung grundlegender Materialien wie chemischerElemente, einfacher Moleküle oder Gasmischungen, dieauch für die Planetenphysik relevant sind, 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 in der Werkstoffbearbeitungeine auch wirtschaftlich zentrale Rolle spielen.Die im Bereich extremer Bedingungen arbeitenden Wissenschaftlersind in Deutschland stark zersplittert: Zwei Geoforschungsinstitute,drei Max-Planck-Institute und etwa zehnUniversitäten nutzten mindestens neun europäische Strahlungsquellenfür Arbeiten bei hohen Drücken. Die Koordinationder 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 Synchrotronstrahlungsquellenzu organisieren oder die Expertise inselbstständigen Gruppen oder Instituten zu bündeln: In Japanmit sieben Wissenschaftlern (NIMS), in den USA mit zehn Wissenschaftlern(Universität Chikago am APS) und in Großbritannienmit 50 Wissenschaftlern (CSEC). Diese Strategie ist auchden instrumentell anspruchsvollen Kombinationen mehrerer extremerBedingungen geschuldet. Dieser Trend ist nur mit Kontinuitätan technischem und wissenschaftlichem Know-how –und damit Personal – zu bewältigen. Daher ist es für einen Erfolgder Hochdruckstation von Petra III bei DESY von grundlegenderBedeutung, die bestehende Infrastruktur gezieltweiterzuentwickeln. Die dazu vorgesehene relativ kleine Abteilungder Hochdruck-Spezialisten am DESY sollte zu diesemZweck durch eine wissenschaftlich breiter orientierte Gruppeim Bereich „Extreme Bedingungen“ an der Universität Hamburgunterstützt und ergänzt werden. Diese muss die Bandbreite von(Festkörper-)Physik über Materialsynthese bis zu biologischenFragestellungen abdecken; dabei sind Prioritäten zu setzen. Aufgrunddes erheblichen instrumentellen Aufwands ist eine Ausstattungmit eigenen finanziellen Mitteln wesentlich, um mitkonzentrierter und langfristig angelegter Expertise ein nationalrelevantes und international sichtbares Kompetenzzentrum inder europäischen Forschungslandschaft zu schaffen. Parallel zuder geplanten Laserheizung und dem Einsatz kondensierterGase wird es Durchsatz und Qualität der Einrichtung steigern,neue Synthesemethoden abdecken, ergänzende spektroskopischeMessmöglichkeiten aufbauen und Technologien für die Erzeugungvon Drücken oberhalb von einem Megabar zurallgemeinen Verfügung stellen.Dabei können in der deutschen Synchrotronlandschaftneben PETRA III als Quelle der dritten Generation, welche dieHauptlast der Beugungsexperimente bewältigen wird, Quellender zweiten Generation ergänzende Techniken wie optischeSpektroskopie international wettbewerbsfähig abdecken.30 Synchrotronstrahlung 2009