Flash erkundet neue Zustände von Materie

Gewöhnlich schimmert es silbrig matt – typisch Aluminium eben. Doch unter extremen Umständen kann das Leichtmetall durchsichtig werden, zwar nicht für normales Licht, aber für weiche Röntgenstrahlung. Das hat ein internationales Physikerteam am Forschungszentrum DESY in Hamburg mit der Lichtquelle FLASH entdeckt. Das Ergebnis ist unter anderem für die Astrophysik und die Fusionsforschung relevant.

FLASH ist ein weltweit einzigartiger Laser und erzeugt ultrakurze, hochintensive Blitze aus weichem Röntgenlicht. Die 300 Meter lange Anlage basiert auf einem supraleitenden Beschleuniger, der Elektronen fast bis auf Lichtgeschwindigkeit bringt. Die Teilchen fliegen durch „Undulatoren“ – Strukturen aus vielen hundert Magnetpaaren, die die Elektronen auf einen Slalomkurs zwingen. Dabei senden die Teilchen kurze, starke Laserblitze aus, mit Wellenlängen vom extremen Ultraviolett bis hin zur Röntgenstrahlung. Fachleute bezeichnen die Anlage als „Freie-Elektronen-Laser“ (FEL).

Dem Team um den DESY-Physiker Dr. Sven Toleikis gelang es, die FLASH-Blitze mit einem Spezialspiegel auf einen winzigen Fleck zu bündeln, mit weniger als einem Mikrometer Durchmesser. Damit war der Blitz so konzentriert, dass es zu einem bemerkenswerten Effekt kam, als die Forscher ein winziges Stück Aluminium beschossen: Das eigentlich undurchsichtige Metall wurde im Bereich der weichen Röntgenstrahlung plötzlich transparent.

Der Grund: Das energiereiche, intensive Röntgenlicht des FLASH-Blitzes schlägt Elektronen aus einer inneren Hülle der Aluminiumatome heraus. Dadurch ändert sich das Absorptionsverhalten des Metalls drastisch: Plötzlich lässt es die Röntgenstrahlung passieren, das Aluminium wird transparent. Damit
entsteht ein höchst eigenartiger Materiezustand: Während die Aluminium-Atomrümpfe nach wie
vor ein festes Gitter bilden, besitzen die Elektronen, die sich in dem Gitter quasi frei bewegen, extrem viel Energie – deutlich mehr, als in einem Festkörper üblich. „Es handelt sich quasi um eine Mischform aus Kristall und Plasma“, erläutert Toleikis. „Man kann sie als Ausgangszustand für eine andere exotische Materieform ansehen, wir nennen sie warme dichte Materie.“

Diese warme dichte Materie ist für ganz unterschiedliche Phänomene relevant. Experten gehen davon aus, dass sie in Riesenplaneten wie Jupiter existiert. „Indem man diesen Materiezustand mit Anlagen wie FLASH künftig näher untersucht, lassen sich Rückschlüsse ziehen, wie es im Inneren von Jupiter aussehen könnte“, sagt Toleikis. Auch für die künftige Energieerzeugung könnte die warme dichte Materie interessant sein, und zwar bei der künstlichen Kernfusionmit Laserstrahlen. Hier versuchen Wissenschaftler, winzige Kügelchen aus gefrorenem Wasserstoff so mit Laserstrahlen zu beschießen, dass sie implodieren und der Wasserstoff zu Helium verschmelzen kann.

Gelingt das Unterfangen, würden beträchtliche Mengen an Energie frei, die sich in Kraftwerken zu Strom umwandeln ließen. Die warme dichte Materie ist hierbei ein wichtiger Übergangszustand kurz vor der  eigentlichen Implosion. Die Forscher wollen ihn möglichst genau verstehen, nur dann können sie die Wasserstoffkügelchen optimal zünden. Das Aluminium-Experiment ist nur eines von vielen Projekten bei FLASH. So nehmen Wissenschaftler einzelne Nanoteilchen unter die Lupe, untersuchen Plankton- Lebewesen oder studieren hochgeladene Eisenionen, wie sie in der Atmosphäre der Sonnevorkommen.

Seit 2005 läuft FLASH im Routinebetrieb. Jedes Jahr kommen Forscher aus aller Welt, um an der  Hamburger Anlage zu experimentieren. Allerdings ist der Laser total überbucht: Längst nicht jeder, der mit den starken Röntgenblitzen arbeiten möchte, kommt zum Zuge. Deshalb plant DESY in Zusammenarbeit mit dem Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) nun eine nächste Stufe namens FLASH II. Das Konzept: Neben dem bestehenden Undulator soll ein zweiter gebaut werden, gespeist durch denselben,
bereits existierenden Linearbeschleuniger. Eine Art Spezialweiche wird dann die schnellen Elektronen  blitzschnell an beide Undulatoren verteilen.

Der Clou: „Der neue Undulatorist verstellbar“, sagt DESY-Physiker Dr. Bart Faatz. „Dadurch kann er andere Röntgen-Wellenlängen liefern als der bestehende Undulator.“ Außerdem sollen die Lasereigenschaften der Röntgen- und UVBlitze deutlich ausgeprägter sein als bei FLASH. Damit werden sich bestimmte Versuche viel besser durchführen lassen, etwa das „Filmen“ chemischer Reaktionen. Hinter dem zweiten Undulator soll eine neue Experimentierhalle entstehen. Sie bietet Platz für bis zu sechs Messplätze – was die Kapazität von FLASH praktisch verdoppeln würde.