Forschung mit Synchrotronstrahlung und Freie-Elektronen-Lasern

Jochen R. Schneider, Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) und Center for Free-Electron Laser Science (CFEL), Hamburg

Die Forschung mit Synchrotronstrahlung ist geprägt von den enormen Fortschritten in der Entwicklung der entsprechenden Strahlungsquellen, insbesondere für den Röntgenbereich. Seit den 1960er Jahren konnte ihre Brillanz alle zehn Jahre um etwa drei Größenordnungen gesteigert werden, und jede Neuentwicklung eröffnete neue Anwendungsfelder. Heute können die Lage der Atome und ihre korrelierten Bewegungen in komplexen Strukturen, bei extremen Temperaturen oder Drücken mit bisher nicht gekannter Genauigkeit bestimmt werden. Dabei werden Volumen-und Oberflächeneigenschaften untersucht, Ordnungs-Unordnungsphänomene eingeschlossen.

Mit Hilfe hochauflösender Spektro-Mikroskopie werden die elektronischen Eigenschaften inhomogener, neuer Materialien sehr genau analysiert, und es gibt erste Ansätze für zeitaufgelöste Studien. Bei all dem beschränkt man sich jedoch fast ausschließlich auf die Untersuchung von Grundzustandseigenschaften.

Der logisch nächste Schritt ist die Untersuchung von Nicht-Gleichgewichtszuständen, von neuen, kurzlebigen Materiezuständen, mit atomarer Auflösung in Raum und Zeit. Freie-Elektronen-Laser (FEL) mit ihren ultra-kurzen, extrem intensiven Blitzen kohärenter Röntgenstrahlung ermöglichen Studien dieser Art und haben das Potential, die Forschung mit Röntgenstrahlung zu revolutionieren. Der Vortrag skizziert die historische Entwicklung der Strahlungsquellen und ihrer Eigenschaften. Die Wirkungsweise von Freie-Elektronen-Lasern wird beschrieben. Die Verfolgung der Fortschritte in der Strukturbiologie dank besserer Strahlungsquellen geht als roter Faden durch den Vortrag. Beispiele aus der Atom- und Festkörperphysik geben einen Hinweis auf die Breite der Anwendungsmöglichkeiten moderner Röntgenstrahlungsquellen.