Ionenstrahlen sind essentielle Werkzeuge für die Materialforschung, insbesondere zur Untersuchung von grundlegenden Wechselwirkungsprozessen und angewandter Technologie. Experimente in der Atom- und Plasmaphysik nutzen die schwersten Ionen für Präzisionstests der Quantenelektrodynamik (QED) in starken elektrischen und magnetischen Feldern, für detaillierte Untersuchungen der korrelierten Dynamik in Vielkörper-Systemen in ultrakurzen und extrem starken elektromagnetischen Feldern und für die Bestimmung von grundlegenden Eigenschaften von Atomen und Atomkernen. In der Plasmaphysik konzentriert man sich auf Experimente bei hoher Energiedichte und verwendet dafür sowohl intensive Schwerionen- als auch Laserstrahlen.

Das Bild zeigt Nanodrähte, die durch die elektrochemische Füllung mit Metall von Schwerionen-Ätzspuren in einem Polymer erzeugt wurden. Durch die riesige Oberfläche der Millionen von Nanodrähten kann diese Struktur als Mikrosensor genutzt werden.

Für das Teilprogramm "Ionen" werden die Fallenanlagen HITRAP (Highly-charged Ion Trap) und der Petawatt Laser PHELIX (Petawatt High-Energy Laser for Heavy Ion Experiments) und der Materialforschungszweig (M-Zweig) bei der GSI im vollen Umfang zur Verfügung stehen. Einen besonderen Schwerpunkt bildet die Entwicklung der für PNI-relevanten Anlagen an FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) für Experimente mit hochgeladenen Ionen und Antiprotonen.