Helmholtz-Gemeinschaft
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Forschungsbereich Materie

Im Helmholtz-Forschungsbereich „Materie“ werden die Bestandteile der Materie und die zwischen ihnen wirkenden Kräfte in ganz unterschiedlichen Größenordnungen erforscht, von Elementarteilchen bis zu Strukturen im Universum.

Aufgabe

Forschungsgegenstand sind die Bestandteile der Materie und die zwischen ihnen wirkenden Kräfte, von Elementarteilchen über komplexe Funktionsmaterialien bis zu den gigantischen Objekten und Strukturen im Universum.

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Mit dem Großexperiment KATRIN (KArlsruhe TRItium Neutrino Experiment) soll die Masse von Neutrinos bestimmt werden. Bild: KATRIN/KIT

Eine wichtige Aufgabe ist dabei die Entwicklung, der Aufbau und der Betrieb von wissenschaftlichen Großgeräten und Forschungsinfrastrukturen. Ob Teilchenbeschleuniger für Synchrotron-, Neutronen- oder Ionen-Anlagen, Detektor- oder Datennahmesysteme - die Helmholtz-Gemeinschaft stellt in diesem Forschungsbereich große, teilweise einzigartige Infrastrukturen zur Verfügung, die von Forschern aus dem In- und Ausland genutzt werden. Mit dem European XFEL, dem Röntgenlaser am Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY, der in europäischer Zusammenarbeit aufgebaut wird, und der "Facility for Antiproton and Ion Research FAIR", die an der GSI - Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt mit internationaler Beteiligung errichtet wird, entstehen die in Deutschland bisher größten, international betriebenen und finanzierten Forschungsinfrastrukturen. In den Helmholtz-Allianzen "Physik an der Teraskala", "Extreme Dichten und Temperaturen - Kosmische Materie im Labor" und "Astroteilchenphysik" kommen die Kompetenzen aus Helmholtz-Zentren, Universitäten und Max-Planck-Instituten zusammen. Die Vernetzung mit Universitäten und Forschungszentren aus dem In- und Ausland wird über weitere Forschungsplattformen wie beispielsweise dem "Center for Free-Electron Laser Science" (CFEL) verstärkt.

Ausblick

Der Forschungsbereich besteht aus drei Forschungsprogrammen: Im Programm "Materie und Universum" werden alle grundlagen-orientierten Disziplinen - Teilchen- und Astroteilchenphysik, Physik der Hadronen und Kerne sowie Atom- und Plasmaphysik - zusammengeführt. Das zweite Programm "Von Materie zu Materialien und Leben" ist stark an die wissenschaftlichen Großgeräten und Forschungsinfrastrukturen des Forschungsbereichs gekoppelt, die einer internationalen Nutzerschaft aus Natur- und Ingenieurwissenschaften sowie der Medizin zur Verfügung stehen. Es fasst dabei die Eigenforschung der Helmholtz-Zentren zusammen, um neue Materialien und Wirkstoffe zu entwickeln sowie Phänomene in kondensierter Materie, elektromagnetischen Plasmen und in biologischen Systemen zu untersuchen. In dem dritten Programm "Materie und Technologien" geht es um die Entwicklung neuer technologischer Konzepte auf den Gebieten der Teilchenbeschleunigung und Detektorsysteme und der Weiterentwicklung von High Performance Computing- und Datenspeicherung. Ziel der für die dritte Programmperiuode geltenden Neuordnung des Forschungsbereichs ist es, Synergieeffekte zu verstärken und grundlegende Technologien für die Welt von morgen zu entwickeln.

Die Programmstruktur in der Förderperiode 2015-2019

Im Forschungsbereich Materie wirken sieben Helmholtz-Zentren zusammen: das Deutsche Elektronen-Synchrotron DESY, das Forschungszentrum Jülich, die GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, das Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB), das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), das Helmholtz-Zentrum Geesthacht für Material- und Küstenforschung (HZG) sowie das Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Außerdem sind zwei Helmholtz-Insitute beteiligt: das HI Mainz und das HI Jena.

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler arbeiten in drei Programmen:

Forschungsprogramme


Matter and Technologies

Der Forschungsbereich „Materie“ beschäftigt sich mit grundlegenden Fragen der Naturwissenschaft zum Ursprung und zur Beschaffenheit von Materie. Mit Hilfe großer Forschungsinfrastrukturen wie Beschleunigern, Strahlungsquellen und Detektoren gehen die Wissenschaftler des Forschungsbereichs diesen Fragen nach.


Matter and the Universe

Die Eigenschaften der kleinsten subatomaren Teilchen und die Kräfte zwischen ihnen bestimmen die Eigenschaften der Materie und des Universums. Grundlegende Erkenntnisse zur Struktur der Materie wurden sowohl mit den Methoden der Kern- und Elementarteilchenphysik gewonnen als auch durch Beobachtungen und Messungen der Astroteilchenphysik an den Schnittstellen von Kern- und Teilchenphysik, Astronomie, Astrophysik und Kosmologie.


From Matter to Materials and Life

Im Programm „From Matter to Materials and Life” (MML), vormals „Forschung mit Photonen, Neutronen und Ionen“ (PNI), nutzen die Forscher wissenschaftliche Großgeräte und große Forschungsinfrastrukturen, um die Struktur, Dynamik und Funktion von Materie und Materialen zu erforschen, die nicht mit konventionellen Laborinstrumenten zugänglich sind.

Einblicke in den Forschungsbereich Materie

Hier stellen wir Ihnen aktuelle Forschungsprojekte von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus den Helmholtz-Zentren vor.

Beschleunigungsrekorde mit Plasmawellen

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Der Beschleunigerphysiker Jens Osterhoff und sein Team nutzen den Elektronenstrahl aus dem FLASH-Beschleuniger bei DESY für Versuche mit Plasmazellen. Bild: H. Müller-Elsner/DESY

Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY

Großgeräte sind für Spitzenforschung unerlässlich. Einige von ihnen könnten in Zukunft jedoch kleiner, kompakter und zugleich enorm leistungsstark sein. Bei den heute oft kilometerlangen Teilchenbeschleunigern zum Beispiel könnte das eine Technologie ermöglichen, die auf einem exotischen Materiezustand basiert: dem Plasma. Darin sind die Atome aufgespalten in positiv geladene Ionen und negativ geladene Elektronen, die sich frei bewegen können.

Bereits heute lassen sich in einem Plasma Wellen erzeugen, die Elektronen auf Energien im Bereich von Milliarden Elektronenvolt beschleunigen können. An dieser Entwicklung forschen Arbeitsgruppen des Deutschen Elektronen-Synchrotrons (DESY) und der Universität Hamburg. Sie arbeiten gemeinsam unter dem Dach von LAOLA, dem Laboratory for laser- and beam-driven plasma acceleration. „Wir wollen die Plasmabeschleuniger zur Anwendungsreife führen”, sagt Florian Grüner, Sprecher von LAOLA. „Zurzeit betreiben wir Grundlagenforschung, um stabile und kontrollierbare Elektronenstrahlen hoher Qualität zu erzeugen.“ Nur damit ließen sich zum Beispiel die Freie-Elektronen- Röntgenlaser von morgen betreiben, deren Abmessungen im Bereich von einigen Metern lägen und nicht mehr im Bereich von Kilometern. „Unser Ziel ist es, den ersten „Table-top-FEL“ zu bauen, also einen Freie-Elektronen-Laser im kompakten Laborformat“, sagt Grüner. „Wir wollen in den nächsten vier bis fünf Jahren zeigen, dass so eine Anlage prinzipiell funktioniert – das wäre ein entscheidender Durchbruch.“

Bis es soweit ist, müssen die Beschleunigerphysiker allerdings noch viele grundlegende Erkenntnisse über Prozesse gewinnen, die innerhalb von Femtosekunden stattfinden – das ist der milliardste Teil einer millionstel Sekunde. Dabei geht es um ein Plasma, in dem extrem hohe Kräfte wirken zwischen Teilchen und Wellen, die sich fast mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen. Kein einfaches Unterfangen, sagt Ralph Aßmann, der mit seiner Gruppe neue Beschleunigertechnologien entwickelt: „Wir haben hier Experten, die ultraschnelle Prozesse erforschen, Spezialisten für Hochleistungslaser, fokussierte Elektronenstrahlen und jahrzehntelange Erfahrung im Beschleunigerbau. Bislang lassen sich zwar immer neue Beschleunigungsrekorde mit Plasmazellen aufstellen, doch wir können die Prozesse weder genau genug kontrollieren noch steuern, also auch nicht nutzen.“


Topologische Isolatoren durchleuchtet

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Elektronen verhalten sich in topologischen Isolatoren annähernd wie Licht und bilden einen Lichtkegel (Dirac-Kegel). Bild: HZB

Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB)

Topologische Isolatoren sind im Innern Isolatoren, während sie an den Oberflächen sehr gut leiten. Daher gelten sie als interessante Kandidaten für neue Informationstechnologien. Nun hat ein Team am HZB untersucht, welche Rolle die Bewegungsrichtung von Elektronen in Topologischen Isolatoren spielt und erstmals auch den Spin der Elektronen betrachtet. Wenn in Zukunft durch das Upgrade der Röntgenquelle BESSY zu BESSY-VSR noch deutlich kürzere Lichtpulse zur Verfügung stehen, möchten sie auch die Dynamik der Elektronen untersuchen und so das exotische Verhalten dieser neuen Materialien wirklich verstehen.


Laserschweissen: Neue Erkenntnisse durch in-situ-Experimente mit Synchrotronstrahlung

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Kammer für das in-situ-Laserschweißen
im Röntgenstrahl; oben: zeitaufgelöste Diffraktion, unten: Schweißnaht. Bild: HZG

Helmholtz-Zentrum Geesthacht Zentrum für Material- und Küstenforschung (HZG)

Laserschweißen ist heute eine industrielle Standardtechnik mit vielen Vorteilen. Doch um die Technik für neuartige Werkstoffe wie leichte TiAl-Legierungen zu etablieren, bedarf es weiterer Forschung und Entwicklung. Mit einem bislang einzigartigen Experiment konnte an den HZG-Beamlines bei PETRA III erstmals die Änderung der Materialstruktur während des Laserschweißens von TiAl untersucht werden. Die gewonnenen Informationen über Phasenübergänge und Eigenspannungen ermöglichen ein tieferes Verständnis und eine Optimierung des Prozesses.


Magnetfelder und Laser entlocken Graphen ein Geheimnis

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Auger-Streuung im Graphen verursacht Umverteilung der Elektronen. Bild: Michael Voigt/HZDR

Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)

Zum ersten Mal konnten Forscher des HZDR die Dynamik von Graphen- Elektronen im Magnetfeld untersuchen. Mithilfe eines Lasers regten sie die negativ geladenen Teilchen auf ein bestimmtes Energieniveau an. Dabei stellte sich heraus, dass sich gerade das Niveau leerte, in das der Laser stets neue Elektronen pumpte. Der Effekt wird durch Stoßprozesse zwischen den Teilchen verursacht. Die Entdeckung könnte die Entwicklung eines Lasers ermöglichen, der Licht mit beliebig einstellbarer Wellenlänge im Infrarot- und Terahertz-Bereich produzieren kann.


Lichtblick für Solarzellen

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Dünnschicht-Solarzelle. Bild: Forschungszentrum Jülich

Forschungszentrum Jülich

Jülicher Forschern ist es gelungen, einen direkten Blick auf die Lichtausbreitung in einer Dünnschicht-Solarzelle zu werfen, bei der periodische Nanostrukturen das Sonnenlicht besonders effi zient einfangen. Die Wissenschaftler nutzten die optische Nahfeld-Mikroskopie und den quantenmechanischen Tunneleffekt des Lichts, um das eingefangene Licht von außen sichtbar zu machen. Die neue Methode könnte helfen, Solarzellen und optoelektronische Bauelemente zu verbessern


Neue Erkenntnisse zur Kosmischen Strahlung

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Mit dem Teilchendetektor AMS auf der Internationalen Raumstation ISS erforschen Wissenschaftler Ursprung und Natur der kosmischen Strahlung. Bild: NASA

Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

Energiereiche Teilchen, die die Erde erreichen, liefern wichtige Informationen über das Universum. Um die ursprüngliche Zusammensetzung und Energie dieser Teilchen zu bestimmen, ist es erforderlich, sie mit einem Detektor außerhalb der Atmosphäre zu vermessen. Dies ist die Aufgabe des Teilchendetektors AMS (Alpha-Magnet-Spektrometer), der im Mai 2011 auf der Internationalen Raumstation ISS installiert wurde. Eine Nachwuchsgruppe des Karlsruher Instituts für Technologie konnte mit den Daten von AMS den Gesamtfluss von Elektronen und Positronen bestimmen.


Fundamente der Physik bestätigt

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Der Experimentierspeicherring des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung. Bild: J. Mai/GSI

GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung

Am GSI-Experimentierspeicherring konnte ein internationales Team von Wissenschaftlern zwei grundlegende Theorien der Physik erneut bestätigen: Einsteins spezielle Relativitätstheorie und die Quantenelektrodynamik. Experimente mit Lithium-Ionen bestätigten die in der Relativitätstheorie vorhergesagte Zeitdehnung bei hohen Geschwindigkeiten mit einer nie zuvor erreichten Genauigkeit. Außerdem gelang erstmals der direkte Nachweis einer Spektrallinie in hochgeladenen Wismut-Ionen, wodurch eine Vorhersage der Quantenelektrodynamik bestätigt wurde.

Kontakt

Prof. Dr. Helmut Dosch

Forschungsbereichskoordinator Materie

Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY

Notkestraße 85
22607 Hamburg

Telefon: +49 40 8998-2408
Fax: +49 40 8998-4304
angelika.lorenzen (at) desy.de
http://www.desy.de


Dr. Ilja Bohnet

Forschungsbereichsbeauftragter Materie

Helmholtz-Gemeinschaft

Telefon: +49 30 206329-68
ilja.bohnet (at) helmholtz.de


29.04.2016