Mit Photonen kann auf einzigartige Weise die kristalline und elektronische Struktur von Materie auf verschiedenen Längen- und Zeitskalen untersucht werden.

Alle großen deutschen Photonenquellen mit Nutzerbetrieb sind in der Helmholtz-Gemeinschaft integriert.  Darüberhinaus sind die Helmholtz-Zentren führend in der Entwicklung von Freien Elektronenlasern (FELs). Das Teilprogramm ‚Photonen’ wird durch die Nutzung der Synchrotronstrahlungsanlagen und FELs ANKA, BESSY II, DORIS III, FLASH und PETRA III geprägt. Zusätzlich wird der European XFEL gebaut.

Das Bild zeigt die Einzelstrahlaufnahme einer künstlichen Struktur auf einer SiN-Membran durch den freien Elektronenlaser FLASH. Unten rechts ist das rekonstruierte Objekt zu sehen.

Synchrotronstrahlung liefert kollimierte Strahlenbündel mit hoher Intensität vom Terahertzbereich bis in den Bereich von harten Röngenstrahlen. Je nach Wellenlänge können die Experimente auf die Oberfläche, Schichten oder Volumenproben zugeschnitten werden, auch in speziellen Umgebungen. Der kohärente Anteil der Röntgenstrahlen ermöglicht hochauflösende Holographie und Mikrotomographie der Probe, während dynamische Eigenschaften durch Korrelationsspektroskopie untersucht werden. Die extrem hohe Intensität in fokussierten Spots im nm-Bereich eröffnet ein Forschungsfeld mit winzig kleinen Probenvolumina und Materie unter extremen Bedingungen.

Im Vergleich zu den besten Synchrotronstrahlungsquellen liefern Freie Elektronenlaser (FEL) je 4 und 9 Größenordnungen größere Durchschnitts- und Peak-Brillanz. Die Strahlenbündel sind kohärent und bei 50-100 fs gepulst, so dass angeregte und kurzlebige Zwischenstadien untersucht werden können. Dynamische Prozesse zum Beispiel können in Echtzeit verfolgt werden. Das kohärente Licht von FELs ermöglichen ganz neue Techniken zur Untersuchung von Materie.