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.

Einblicke in den Forschungsbereich Materie

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

Überraschender Einblick in die Welt der Atomkerne

Forschungszentrum Jülich

Computersimulationen bieten ein völlig neues Werkzeug, um das Verhältnis vom Aufbau von Atomkernen zu den Kräften, die in ihnen wirken, genauer zu verstehen. So gibt eine neue Computersimulation Antwort auf die Frage, wie sich Neutronen und Protonen zu Atomkernen zusammenfügen. Wird in der Simulation ein einziger Parameter minimal verändert, hat das fundamentale Auswirkungen auf den Aufbau der Kerne. Unter leicht unterschiedlichen Bedingungen könnte das Universum daher ganz anders aussehen. Zu diesem Ergebnis kommt eine Studie von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus Bonn, Jülich, Bochum sowie von zwei amerikanischen Universitäten.

Atomkerne sind aus positiv geladenen Protonen und ungeladenen Neutronen aufgebaut. Wie sich die Neutronen im Kern genau anordnen, ist je nach Atom unterschiedlich: In manchen Atomen sind die Kerne aus sogenannten Clustern aufgebaut. Das sind Gruppen von je zwei Protonen und Neutronen, die man auch als Alpha-Teilchen bezeichnet. In anderen Atomen lassen sich diese Alpha-Teilchen dagegen nicht beobachten.

Wenn zwei Alpha-Teilchen in einem Atomkern zusammen kommen, beeinflussen sich beide gegenseitig – sie treten miteinander in Wechselwirkung. Wenn sich dabei die relative Position der Protonen und Neutronen in beiden Alpha-Teilchen zueinander nicht verändert, nennt man diese Wechselwirkung „lokal“. Ansonsten spricht man von einer nicht-lokalen Wechselwirkung. In ihren Simulationen variierten die Forscher das „Mischungsverhältnis“ zwischen lokalen und nicht-lokalen Wechselwirkungen – sie mischten immer mehr lokale Wechselwirkungen bei.

Überraschendes Ergebnis: Ab einem bestimmten Mischungsverhältnis änderte sich der Zustand der Kernmaterie fundamental. Bildlich gesprochen, ging das Vielteilchensytem aus Protonen und Neutronen von einem gasförmigen in einen flüssigen Zustand über. Im gasförmigen Zustand ist die Materie aus nicht wechselwirkenden Alpha-Teilchen aufgebaut, im flüssigen bilden sich aus Alpha-Teilchen aufgebaute Tropfen. Bei welchem Mischungsverhältnis der Phasenübergang stattfindet, hängt von der Größe des Kerns ab.

Weitere Erkenntnis: Die Bindungsverhältnisse im Kern sind in der Natur ganz nahe an einer Instabilität, die vorher nicht beobachtet wurde. Wird der Parameter, der die relative Stärke der lokalen zur nicht-lokalen Wechselwirkung bestimmt, nur ein kleines bisschen variiert, dann sieht das Universum ganz anders aus.


77 Magnete für bERlinPro

Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB)

Im Projekt bERLinPro entwickelt das HZB einen neuartigen Elektronenbeschleuniger, der einen Teil der kinetischen Energie der Elektronen zurückgewinnt. Nun wurde die „Elektronenoptik“ installiert: Insgesamt 77 große Magnete wurden mit höchster Präzision eingebaut, um den Elektronenstrahl zu führen und zu fokussieren. Gleichzeitig sorgen sie dafür, dass sich die Elektronenpakete nach ihrem Umlauf so exakt einfädeln, dass ihre Energie für die Beschleunigung nachfolgender Pakete zur Verfügung steht. bERLinPro soll Ende 2019 in Betrieb gehen.

Mehr zum Thema


Zeitmessung mithilfe der Schwingung von Atomkernen

GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung

Ein wichtiger Schritt zur Entwicklung einer hochpräzisen Kernuhr gelang durch den experimentellen Nachweis des Thorium-Isomers Th-229m, an dem GSI und das Helmholtz-Institut Mainz beteiligt waren. Die genaueste Atomuhr der Welt weicht in 20 Milliarden Jahren nur eine Sekunde ab. Durch den erstmals gemessenen Anregungszustand könnte diese Genauigkeit etwa zehnfach verbessert werden. Mögliche Anwendungen der Kernuhr sind die Suche nach Dunkler Materie oder Gravitationswellen und der Nachweis einer zeitlichen Veränderung von Naturkonstanten. Die Entdeckung zählt zu den „2016 Top Ten Break-throughs of the Year“ von „Physics World“.

Mehr zum Thema


Kurzwellige Spinwellen für die Informationsverarbeitung

Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)

Damit Spinwellen als Alternative zu Elektronen in zukünftigen Computerchips zum Einsatz kommen können, müssen sie Wellenlängen im Nanometer-Bereich besitzen. Durch das geschickte Design zweier hauchdünner Plättchen aus Metall konnten Forscher am HZDR die Elektronen-Spins in einem Magnetwirbel zu einer Welle mit extrem geringer Ausdehnung anregen. Dabei erlaubte die Wahl der Anregungsfrequenz eine exakte Einstellung der Wellenlänge. Die Experimente zeigten zudem ein erstaunliches Phänomen: Die Geschwindigkeit, mit der sich diese Spinwellen ausbreiten, ist stark richtungsabhängig.

Mehr zum Thema


Magnetsensoren für die Industrie

Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY

DESY-Forscher haben die Grundlage für eine neue Generation von Magnetsensoren entdeckt. Die Entwicklung der Wissenschaftler ermöglicht es, die bei der herkömmlichen Produktionsweise limitierten Funktionen stark zu erweitern und somit Sensoren individuell für eine Vielzahl von neuen Anwendungen maßzuschneidern. Mit Mitteln aus dem Helmholtz-Validierungsfonds werden die Sensoren zur kommerziellen Marktreife weiterentwickelt. Magnetsensoren lassen sich vielseitig in der Computer- und Automobilbranche einsetzen, beispielsweise als Drehzahlsensoren in ABS-Systemen.

Mehr zum Thema


KATRIN soll die Masse von Neutrinos wiegen

Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

Neutrinos sind die häufigsten massiven Teilchen im Universum und haben eine sehr geringe Masse. Ihre Erforschung führt zu fundamentalen Fragen der Teilchenphysik und Kosmologie. Das Karlsruher Tritium Neutrino Experiment KATRIN wird weltweit erstmals in der Lage sein, die bislang noch unbekannte Masse dieser Elementarteilchen direkt zu messen. Das Messprinzip ist die extrem genaue Spektroskopie von höchstenergetischen Elektronen aus dem Beta-Zerfall von Tritium. Im Oktober 2016 konnten erstmals Elektronen durch die gesamte 70 Meter lange Anlage geführt werden. 

Mehr zum Thema


Röntgen-Nanotomographie an photonischen Gläsern

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

Photonische Gläser gehören zu einer Materialklasse, die beispielsweise in Beschichtungen für die Wärmeisolierung eingesetzt wird. Photonische Eigenschaften wie die Reflektivität hängen von einer homogenen Kugel-Packungsdichte über die gesamte Schichtdicke von bis zu 100 µm ab. Die Röntgen-Nanotomographie ermöglicht die zerstörungsfreie Charakterisierung mit der erforderlichen Auflösung, wodurch wichtige Informationen zur Optimierung der Fertigungs- und Verarbeitungsverfahren erhalten werden.

Mehr zum Thema

Druck-Version

Kontakt