Forschung mit Synchrotronstrahlung in Deutschland 2009 - SNI-Portal

FREIE-ELEKTRONEN-LASERBereit für die RevolutionIm Bereich der Freie-Elektronen-Laser nimmt Deutschlandeine Führungsposition ein. Diese gilt es in den nächstenJahren zu sichern und auszubauen.Freie-Elektronen-Laser (FEL) liefern Röntgenblitze von unerreichterQualität. Mit hundertmillionenfach erhöhter Brillanzbei gleichzeitig mehr als 10.000 Mal kürzeren Pulszeiten imVergleich zu den besten bisherigen Quellen eröffnen sich völligneue Dimensionen. Diese Quellen haben das Potential, eine Revolutionin den verschiedensten Wissensgebieten einzuleiten.Mit Hilfe dieser Röntgenlaser wird es innerhalb des nächstenJahrzehnts möglich sein, Echtzeitaufnahmen vom Ablaufchemischer Reaktionen mit atomarer Auflösung zu erstellen –mit Auswirkungen auf für die chemische Industrie relevanteProzesse. Zudem wird die geometrische Struktur von einzelnenNanoteilchen wie etwa großen Biomolekülen und deren Elektronenverteilungzugänglich werden – mit entscheidender Bedeutungfür die medizinische und die pharmazeutischeForschung. Die kurzen Pulse im Zusammenhang mit der Laserlichtartigkeit(Kohärenz) der Strahlung erlauben völlig neueEinblicke in Nanomaterialien auf atomaren Zeit- und Längenskalen– mit höchster Relevanz für die Entwicklung neuerMaterialien und Speicher für die Computer- und Elektronikindustrie.Röntgenlaser werden aber auch fundamental neue Erkenntnisseüber die Grundlagen der Licht-Materiewechselwirkungan einfachen Systemen aus Atomen und Ionen in einemIntensitätsbereich liefern, der viele Größenordnungen entferntvon bisher Bekanntem ist. Sie ermöglichen erstmals die Untersuchungder Bildung und des Zerfalls von Molekülionen undRadikalen unter Einfluss von energiereicher Strahlung in irdischenLabors. Beide Reaktionen sind von höchster Bedeutung –nicht nur in der Atmosphärenchemie unter Sonneneinstrahlung,sondern auch für das Verständnis der Grundlagen der Molekülentstehungim Weltraum, wo man inzwischen mehr alshundert verschiedene, zum Teil komplexe Moleküle bis hin zuden Konstituenten des Lebens nachgewiesen hat (siehe Forschungsbeispielauf der rechten Seite).Nicht zuletzt sind Röntgenlaser aufgrund der enormenSpitzenintensitäten in der Lage, heiße Plasmen, wie sie etwa imKernbereich von Planeten auftreten, zu erzeugen und derendynamisches Verhalten zeitaufgelöst zu verfolgen.Deutschland ist weltweit führend auf dem Gebiet der Freie-Elektronen-Laser. Bei DESY in Hamburg wird FLASH als weltweiterster FEL für Nutzer betrieben. Er liefert äußerst kurzePulse im extremen Ultraviolet (XUV) und damit im für die Lebenswissenschaftenwichtigen Wellenlängenbereich des Wasserfensters.Bei FLASH werden unter Federführung odermaßgeblicher Beteiligung von Gruppen aus Deutschland zurzeitPionierexperimente in vielen Wissenschaftsfeldern durchgeführt.Unterstützt wird dies durch die Einrichtung desBMBF-Forschungsschwerpunkts „FLASH: Materie im Licht ultrakurzerund extrem intensiver Röntgenpulse“. Die Nutzung derphantastischen Möglichkeiten der neuen Quellen wird durchdie Gründung interdisziplinärer Forschungszentren wie desCenter for Free-Electron Laser Science (CFEL) in Hamburg gefördert.Deutschland hat eine herausragende Stellung bei derEntwicklung von FEL-Quellen für den XUV- und Röntgenspektralbereichund ist federführend beim Bau des European XFEL.Mittel- und langfristig ist es entscheidend, die FührungspositionDeutschlands bei Entwicklung, Betrieb und Nutzung von FEL-Quellen zu sichern und auszubauen. Dazu sind folgende Maßnahmennotwendig:• die starke deutsche Beteiligung am European XFEL mit demZiel einer signifikanten Mitwirkung an der Konzeption und Realisierungder Experimentiermöglichkeiten und dem Aufbau einerstarken deutschen Nutzergemeinde für den European XFEL,• die Weiterentwicklung von FLASH zu FLASH II durch die Zusammenarbeitvon DESY und dem Helmholtz-Zentrum Berlinmit dem Ziel, XUV-Strahlung für eine größere Nutzerschaft zurVerfügung zu stellen und gleichzeitig neue Konzepte zu realisieren,die z. B. Experimente ermöglichen, bei denen Terahertzundoptische Pulse mit den FEL-Pulsen perfekt synchronisiertsind,• die deutsche Beteiligung bei LCLS in Stanford, die 2009 alserste FEL-Quelle für Röntgenstrahlung in Betrieb gehen wird• und die Intensivierung der Zusammenarbeit mit der traditionellenLaserphysik mit dem Ziel, die komplementäre Entwicklungim Bereich der Quellen für höhere Harmonische, sowieder durch kompakte Laser getriebenen Beschleuniger- und Attosekundenquellenfür FELs zu nutzen und den Transfer vonetablierten experimentellen Konzepten und neuen Entwicklungenaus der Laserphysik an die FEL-Quellen zu ermöglichen.34 Synchrotronstrahlung 2009