Wie das Licht am Ende des Tunnels entsteht

Unter der Erdober­fläche zwischen Hamburg und Schleswig-Holstein erzeugt eine einzig­ar­tige Maschine das inten­sivste Rönt­gen­licht der Welt. Physiker, Biologen, Chemiker und Medi­ziner aus aller Welt treffen sich hier, um Entde­ckungen zu machen, die unsere Zukunft bestimmen werden.

Es gibt sie zahl­reich: Die Dinge, die wir Menschen nicht sehen. Weil sie zu schnell sind. Weil sie zu klein sind. Oder weil sie sich tief im Inneren von Undurch­dring­barem abspielen. Theo­re­tisch können wir sie zwar verstehen und beschreiben – Mole­küle zum Beispiel, und ihre Reak­tionen mitein­ander. Aber wieviel mehr könnten wir erfahren, wenn wir diese Dinge beob­achten oder sogar foto­gra­fieren könnten? Dafür brau­chen wir ein Blitz­gerät mit extrem kurzer Wellen­länge, kürzester Puls­länge und hoher Wieder­hol­fre­quenz: Ein Rönt­gen­licht-Stro­bo­skop, so kurz­wellig und schnell, wie noch nie zuvor vom Menschen erschaffen.

Der „Euro­pean X-Ray Free-Elec­tron Laser“ (Euro­pean XFEL), ein unter­ir­di­scher Teil­chen­be­schleu­niger, meis­tert diese Heraus­for­de­rung. Seine Forschungs­mög­lich­keiten sind einzig­artig. Er beginnt auf dem Campus des deut­schen Forschungs- und Beschleu­ni­g­er­zen­trums „Deut­sches Elek­tronen Synchro­tron“ (DESY) in Hamburg-Bahren­feld. Von dort aus beschleu­nigt er auf einer unter­ir­di­schen 3,4 Kilo­meter langen Renn­strecke freie Elek­tronen auf irrsin­nige Geschwin­dig­keiten, um Rönt­gen­la­ser­blitze zu erzeugen.

Diese ermög­li­chen in Sche­ne­feld in Schleswig-Holstein Expe­ri­mente, von denen Physiker, Biologen, Chemiker und Medi­ziner bislang nur träumen konnten. Es geht um die großen Mensch­heits­fragen von der Entste­hung unseres Planeten bis zum Sieg gegen den Krebs. Wie das geht? Um das zu zeigen, steigen wir in den Unter­grund und folgen einem Elek­tro­nen­paket.

In Hamburg, in einer Halle unter dem DESY steht der Elek­tro­nen­in­jektor. Unter den blauen Spulen verbirgt sich die Elek­tro­nen­quelle.
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Elek­tro­nen­ka­none

38 Meter unter der Erdober­fläche gibt die Elek­tro­nen­ka­none den Start­schuss. In ihrem hohlen Inneren schießt ein ultra­vio­letter Laser genau kalku­lierte Blitze auf eine Elek­trode. Sein Licht löst einen Schauer von Elek­tronen aus. In den Hohl­räumen beschleu­nigt und pake­tiert ein Hoch­fre­quenz­feld die Elek­tronen. Das Magnet­feld der deut­lich erkenn­baren blauen Spulen hält sie auf der Bahn und schickt sie in einer Vaku­um­röhre Rich­tung Expe­ri­men­tier­halle in Sche­ne­feld.

Pro Sekunde verlassen bis zu 27.000 prak­tisch iden­ti­sche Elek­tro­nen­pa­kete die Kanone.

Das ist die Grund­vor­aus­set­zung, um am Ende des Tunnels ein perfektes Rönt­gen­stro­bo­skop für die Expe­ri­mente zu haben. Jeder noch so kleine Unter­schied der Pakete würde die Daten der Forscher*innen beein­träch­tigen.

Hoch­fre­quenz­felder kata­pul­tieren die Teil­chen durch die ersten 70 Meter der Strecke, direkt auf die Module eines Line­ar­be­schleu­ni­gers zu. Sie haben schon jetzt eine Energie von 130 Mega­elek­tro­nen­volt und ein Tempo von 99,9992 Prozent der Licht­ge­schwin­dig­keit. Doch jetzt geht es erst richtig los.

In diesen knall­gelben Röhren des Line­ar­be­schleu­ni­gers bekommen die Elek­tronen geballte Energie.
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Line­ar­be­schleu­niger

Acht Hohl­raum­re­so­na­toren stecken in einer zwölf Meter langen knall­gelben Röhre. Jeder Reso­nator aus dem Metall Niob badet in flüs­sigem Helium, denn das bringt ihn auf tiefste Tempe­ra­turen. Bei -271 Grad Celsius liegt der elek­tri­sche Wider­stand bei Null. Der Reso­nator ist dadurch supra­lei­tend. Im Reso­nator schwin­gende Mikro­wellen über­tragen ihre Energie auf die Elek­tro­nen­pa­kete in der Vaku­um­röhre.

Hat ein Elek­tro­nen­paket ein Modul passiert, jagt es sofort zum nächsten – 96 Mal in Folge – denn so viele Beschleu­ni­ger­ele­mente verbergen sich in diesem Stre­cken­ab­schnitt unter der Erde.

So nah an der Licht­ge­schwin­dig­keit passiert etwas Unge­wohntes: Während die Geschwin­dig­keit in Kilo­me­tern pro Sekunde kaum noch zunimmt, steigt die Masse der Teil­chen propor­tional zur Energie. Auf der gesamten Beschleu­ni­ger­strecke durch­laufen die Elek­tro­nen­pa­kete 17,5 Gigaelek­tro­nen­volt.

27.000

Elek­tro­nen­pa­kete

jagen jede Sekunde durch diesen Tunnel.

Die Elek­tronen haben ein Tempo von bis zu

99,99999996

Prozent

Licht­ge­schwin­dig­keit.

Licht kann

300.000

Kilo­meter

in der Sekunde zurück­legen.

Dieser Beschleu­niger lädt die Elek­tronen mit

17,5

Gigaelek­tro­nen­volt (GeV)

auf. Das ist 175 x so stark wie
ein Blitz bei einem Gewitter.

Ein Modul misst

12

Meter

und beinhaltet
8 Hohl­raum­re­so­na­toren.

-271

Grad Celsius

ist die Tempe­ratur des Heliums an den Reso­na­toren.
Das ist kälter als die Tempe­ratur des Welt­raums.

96

knall­gelbe Beschleu­ni­ger­ele­mente
gibt es in diesem Tunnel­ab­schnitt.
Sie liegen hinter­ein­ander.

Der Durch­messer des Tunnels, der vom DESY bis zum Haupt­ge­bäude des Euro­pean XFEL führt, liegt zwischen

5,30

und

4,60

Metern.

In diesem Tunnel dürfen sich unter strengen Sicher­heits­be­din­gungen Wissenschafter*innen, Ingenieur*innen und Techniker*innen nur aufhalten,
wenn der Strahl ausge­schaltet ist.

Die Elemen­tar­teil­chen befinden sich in einem Vaku­um­rohr inner­halb der Tunnel­röhre. Die Röhre ist mit Stahl­trä­gern an der Tunnel­decke aufge­hängt.

Die 2 Kilo­meter Beschleu­ni­ger­strecke
legen die Elek­tronen in

6,67

Mikro­se­kunden

zurück.

Im Betrieb verbraucht
die Maschine so viel Strom wie
1 komplette Klein­stadt oder

2

ICE

unter Voll­last.

Fast geschafft!

Nachdem das Elek­tro­nen­paket den Line­ar­be­schleu­niger Modul für Modul hinter sich gelassen hat, bleiben nur noch 1.400 Meter bis zu den Stationen, an denen expe­ri­men­tiert wird. Höchste Zeit, das Rönt­gen­licht zu erzeugen. Da jede Expe­ri­men­tier­sta­tion das Licht mit ganz bestimmten Wellen­längen und Eigen­schaften braucht, ist der Tunnel ab hier verzweigt, um die Elek­tro­nen­pa­kete in unter­schied­liche Rich­tungen zu schi­cken.

Einblicke in den komplexen tech­ni­schen Aufbau im Tunnel. Im Bild: Magnete (vorne) und ein Spiegel (mittig).

Aus der Vogel­per­spek­tive

Ein ausge­klü­geltes System aus Magneten, Undu­la­toren und Spie­geln erzeugt, formt und verzweigt die Rönt­gen­strahlen über mehrere Stufen. Den Anfang macht der Elek­tro­nen­ver­teiler unter dem Orts­teil Osdorf in Hamburg, in den wir uns einfach hinein­kli­cken können!

Klicken Sie auf die Punkte:

Der Elek­tro­nen­ver­teiler

Wenn die Pakete den Elek­tro­nen­ver­teiler im Hamburger Orts­teil Osdorfer Born errei­chen, haben sie 2.100 Meter in 6,67 Mikro­se­kunden zurück­ge­legt und sind mit einer Energie von 17,5 Gigaelek­tro­nen­volt aufge­laden. Hier verzweigt sich der Euro­pean XFEL in zwei Tunnel.

Ein Magnet kickt einen Teil der Elek­tronen nach links, während andere den Kurs halten. Fliegen sie in das weiter­füh­rende Tunnel­system, machen sie ziem­lich bald die Bekannt­schaft mit einem Undu­lator.

Nächste Zwischen­sta­tion: Der Undu­lator

Der Undu­lator

Der Undu­lator ist 200 Meter lang und mit Perma­nent­ma­gneten bestückt. Diese sind so ange­ordnet, dass sich die Rich­tung ihrer Magnet­felder abwech­selnd umkehrt. Die Kraft dieser Magnete würde reichen, das Gewicht von 375 Autos zu heben. Statt­dessen üben sie ihre Kraft auf die winzigen Teil­chen aus und zwingen die Elek­tro­nen­pa­kete in einen Slalom­kurs. Mit jeder Kurve geschieht, was geschehen soll: Die einzelnen Elek­tronen strahlen Ener­gie­bündel ab – hoch­en­er­ge­ti­sche, extrem kurz­wel­lige Rönt­gen­pho­tonen – die ersehnten Rönt­gen­blitze.

Die Undu­la­toren befinden sich an drei verschie­denen Stellen, in dem sich immer weiter verzwei­genden Tunnel­system. Ein Durch­flug passt die Licht­blitze speziell für die Expe­ri­mente der Wissenschaftler*innen an. Eine Fein­jus­tie­rung nimmt die Mann­schaft per Fern­steue­rung vom DESY vor.

Jetzt werden die Elek­tronen von den Photonen getrennt.

Die Elek­tro­nen­ab­len­kung

Die Photonen jagen als ersehnte Rönt­gen­blitze auf die Expe­ri­men­tier­sta­tionen zu. Sie halten Kurs auf die Stationen in Sche­ne­feld, wo die Forscher*innen sie für ihre Expe­ri­mente erwarten. Die Elek­tronen hingegen haben ausge­dient. Die beiden Elemen­tar­teil­chen müssen also vonein­ander getrennt werden.

Dafür nutzt die Maschine die Tatsache, dass Photonen sich von Magneten nicht lenken lassen. Ein weiterer Hoch­leis­tungs­ma­gnet sorgt für Ordnung. Sein Magnet­feld schickt die Elek­tronen an der nächsten Gabe­lung in eine Sack­gasse. Die Photonen dagegen fliegen unbe­irrt weiter.

Diese Magnet­spulen aus Kupfer stecken in roten Stahl­blö­cken und dienen dazu, den Elek­tro­nen­strahl zusam­men­zu­halten.

Für einige Teil­chen geht es weiter, andere werden in eine Sack­gasse gelenkt.

Der Elek­tro­nen­auf­fänger

Die Maschine erzeugt mit Hilfe der Elek­tronen die perfekten Photonen für die Expe­ri­mente. Jetzt werden sie nicht mehr gebraucht. Magnete lenken sie in einen mit Graphit gefüllte Röhre unter­halb der Tunnel. Dort, nur 11 Mikro­se­kunden nach dem „Kick-off“ in der Elek­tro­nen­ka­none, wird der Elek­tro­nen­strahl kontrol­liert abge­bremst und absor­biert.

Nur durch die Elek­tronen konnten wert­volle Photonen erzeugt werden.

Die Photo­nen­strahl­füh­rung

Die Photonen jagen nun in drei verschie­denen Photo­nen­tun­neln durch Vaku­um­röhren. Hier sind sie unter sich, ohne jegliche Inter­ak­tion mit Materie. Jedes Elek­tro­nen­paket hat in jeder Undu­la­tor­kurve Photonen genau glei­cher Energie und Wellen­länge abge­geben. So entstehen Schwärme von Rönt­gen­blitzen, die in exakt vorge­ge­bener Frequenz aufein­ander folgen. Ihre Energie ist so hoch und die Wellen­länge so kurz, dass dieses Licht fast alles durch­dringt. Es lässt sich kaum noch lenken. Der Rest des Weges ist deshalb schnur­ge­rade.

Falls die Rich­tung doch noch korri­giert werden muss, hilft ein Spiegel!

Oder aber es geht weiter zur Diagnostik

Der Spiegel

In jedem der schnur­ge­raden Tunnel korri­giert ein Spezi­al­spiegel die Photo­nen­bahn noch einmal minimal und richtet die Pulse exakt auf die Expe­ri­mente der Wissen­schaftler aus.

Jeder Spiegel ist ein Sili­zi­um­block, der in einem Reinst­raum im Hoch­va­kuum steht. Er wurde fast ein Jahr lang poliert, bis seine größten Uneben­heiten geringer waren als ein Milli­ardstel Meter. Das ist weniger als ein Fußab­druck am Strand im Vergleich zum Durch­messer der Erde. Das Ziel ist jetzt in Sicht­weite, für die Rönt­gen­la­ser­blitze geht es nun die letzten Meter zu den Instru­menten.

Jetzt ist der Strahl in der rich­tigen Posi­tion für die Expe­ri­men­tier­sta­tionen!

Die Diagnostik

Dieses Diagno­se­gerät misst das Spek­trum und die Pola­ri­sa­tion der Photonen in einer der Tunnel­ver­zwei­gungen. Es iden­ti­fi­ziert die Eigen­schaften der Pulse: ihre Hellig­keit, Pola­ri­sa­tion und Wellen­länge, also Farbe. Es nennt sich Photo­elek­tronen-Spek­tro­meter. Andere Diagnostik-Geräte arbeiten mit Kameras, Filtern oder Kris­tallen.

Jetzt ist der Strahl bereit für die Expe­ri­mente!

Die Expe­ri­men­tier­halle

In Sche­ne­feld, unter dem Haupt­ge­bäude von Euro­pean XFEL, münden die drei Tunnel­sys­teme in eine gewal­tige unter­ir­di­sche Expe­ri­men­tier­halle. Hier, auf 4.500 Quadrat­me­tern, betreiben inter­dis­zi­pli­näre Teams von Wissenschaftler*innen Grund­la­gen­for­schung – in einem Jahr bis zu 3.000 Nutzer aus aller Welt. Zurzeit stehen für die Versuchs­an­ord­nungen sechs Stationen zur Verfü­gung, vier weitere sind geplant.

Jede Station ist mit spezi­ellen Instru­menten für das jewei­lige Anwen­dungs­ge­biet ausge­stattet. In einem Kontroll­raum passen die Wissenschaftler*innen die Eigen­schaften des Rönt­gen­lichts exakt auf die Anfor­de­rungen ihres Expe­ri­ments an. Im Inneren des Instru­ments treffen das Licht und die zu unter­su­chende Probe aufein­ander.

Station für Hohe Ener­gie­dichte (HED) 

Ulf Zastrau ist Physiker und leitet die Forschungs­gruppe HED (High Energy Density). Die Gruppe, das sind fast 20 Kolleg*innen: Techniker*innen und Ingenieur*innen, Wissenschaftler*innen, Doktorand*innen und Gäste aus anderen Insti­tuten. Sie arbeiten an diesem Instru­ment mit sehr harter Rönt­gen­strah­lung, Hoch­leis­tungs-Lasern und einer Hoch­druck­presse aus Diamant.

Mit diesem Instru­ment versetzt das Team um Zastrau Materie in extreme Zustände – macht sie zum Beispiel beson­ders dicht oder beson­ders heiß. Damit simu­liert es die Bedin­gungen wie sie im Inneren von Planeten herr­schen, zum Beispiel im Zentrum der Erde. Die harten Rönt­gen­blitze mit bis 25 Kilo­elek­tro­nen­volt durch­dringen diese Mate­rie­proben und zeigen, was sich in ihrem Inneren abspielt.

Dies ist ein Proben­halter im Vakuum. Hier stößt das Licht mit einer Wellen­länge von etwa 0,1 Nano­me­tern auf die Probe und ermög­licht einen Einblick in ihre atomare Struktur. Die spezi­ellen Proben, die während des Expe­ri­ments in extreme Zustände versetzt werden, bringen die Forschungs­teams in der Regel selbst mit.

„Hier im Labor lernen wir etwas über unser Universum. Bisher können wir viele exoti­sche Zustände von Materie im Inneren von Planeten nur vermuten, zum Beispiel die Exis­tenz von metal­li­schem Wasser­stoff oder Heli­um­regen in Wasser­stoffgas. Es wäre phan­tas­tisch, diese Zustände mit HED zu erzeugen und expe­ri­men­tell erst­mals nach­weisen zu können.“

Station für Struktur und Dynamik von Mate­ria­lien (MID)

Jörg Hall­mann ist Physiker und stellt als Instru­ment-Wissen­schaftler seinen Wissenschafts-Kolleg*innen die Station MID zur Verfü­gung, damit das Verständnis der Mensch­heit für die Natur wachsen kann. Insbe­son­dere geht es an dieser Station um Fest­körper und Flüs­sig­keiten.

Die Expe­ri­men­tier­sta­tion MID (Mate­rials Imaging and Dyna­mics) ist auf die Erfor­schungen von Struk­turen und Dyna­miken im Nano­me­ter­be­reich spezia­li­siert. Das Rönt­gen­licht ermög­licht detail­reiche Nahauf­nahmen, um die Struktur des Mate­rials zu unter­su­chen und um Dyna­miken – also das Verhalten und die Verän­de­rungen von Struk­turen in einem zeit­li­chen Ablauf zu beob­achten. Die Mate­ria­lien, die unter­sucht werden, sind viel­fältig und reichen von metal­li­schen Verbin­dungen über biolo­gi­sche Systeme bis hin zu Flüs­sig­keiten.

Im Kontroll­raum kann Hall­mann die Strah­lung, die aus dem Tunnel kommt, genau an die Bedürf­nisse seines Expe­ri­ments anpassen. Das Licht des Rönt­gen­la­sers hat Wellen­längen von 0,05 bis 0,25 Nano­me­tern und zeichnet sich durch einen hohen Grad an Kohä­renz aus. Dadurch gelten die Messungen als beson­ders hoch­wertig.

Der Blick in die Proben­kammer, in der die FEL Pulse auf die Proben treffen, zeigt hier eine Quarz­ka­pil­lare mit in Wasser verdünnten Nano­par­ti­keln. In dieser Vaku­um­kammer können verschie­dene Proben­sys­teme unter­sucht und unter­schied­liche Zusatz­in­stru­mente, wie gepulste Magneten oder Kühl­kom­po­nenten, imple­men­tiert werden.

„Unsere Forschung erwei­tert das Wissen über Mate­ri­al­arten. Zum Beispiel metal­li­sche Gläser: Sie sind härter als Stahl aber wesent­lich leichter. In der Raum­fahrt oder Medizin sind sie bereits im Einsatz, für den breiten Markt jedoch noch nicht verfügbar. Wir erhoffen uns brei­tere Anwen­dungs­ge­biete, denn leich­tere und stabi­lere Bauteile führen zur Einspa­rung von Ressourcen und Energie.“

Station für Femto­se­kunden-Rönt­gen­ex­pe­ri­mente (FXE) 

Wojciech Gawelda ist Physiker und leitet eine Forschungs­gruppe in Madrid, die auch am Euro­pean XFEL forscht und sich auf Femto­se­kunden-Röntgen-Expe­ri­mente, also Femto­se­cond X-Ray Expe­ri­ments (FXE) spezia­li­siert hat. So werden ultra­schnelle Prozesse auf atomarer Ebene sichtbar. Eine Femto­se­kunde dauert nur das Billi­ardstel einer Sekunde, eine unvor­stellbar kurze Zeit­spanne.

Für die Expe­ri­mente an der FXE-Station arbeiten Forscher*innen mit harten, also sehr ener­gie­rei­chen, Rönt­gen­strahlen (5-20 Kilo­elek­tro­nen­volt) um dyna­mi­sche Prozesse in flüs­sigen und festen Mate­ria­lien zu unter­su­chen. Das Team besteht aus acht weiteren Wissenschaftler*innen und drei Inge­nieuren.

Zu den mögli­chen Anwen­dungs­fel­dern zählt die Photo­vol­taik und die Photo­ka­ta­lyse. Dafür werden mole­ku­lare Mate­ria­lien am FXE-Instru­ment unter­sucht. So geht es zum Beispiel um die Erzeu­gung synthe­ti­scher Mole­küle, die in der Lage sind, Sonnen­licht effi­zient in elek­tri­sche oder chemi­sche Energie umzu­wan­deln.

„Wenn wir noch besser verstehen, wie die Natur auf den mikro­sko­pi­schen, bezie­hungs­weise mole­ku­laren Raum- und Zeit­skalen funk­tio­niert, können wir die Wand­lung von Sonnen­en­ergie in Strom erheb­lich verbes­sern.“

Diese Aufnahme gelang unserem Foto­grafen Jan Hosan im Jahr 2019 an der Expe­ri­men­tier­sta­tion FXE. Es ist das erste Bild, das den XFEL-Rönt­gen­strahl sichtbar macht. Gelungen ist das nur durch eine extrem lange Belich­tung bei völliger Dunkel­heit und durch Anre­gung der Stick­stoff­mo­le­küle in der Luft.

Station für Partikel, Cluster und Biomo­le­küle (SPB/SFX)

Was genau geht in biolo­gi­schen und bioche­mi­schen Systemen vor sich? Der Biologe Adam Round arbeitet als Wissen­schaftler an der Expe­ri­men­tier­sta­tion für Einzel­teil­chen, Cluster, Biomo­le­küle und seri­eller Femto­se­kunden-Kris­tal­lo­gra­phie (SPB/SFX). Mit ihm zusammen unter­stützen 23 Kolleg*innen die Nutzer*innen des Instru­ments, um Antworten auf diese Frage zu finden.

Hier wird ein 3-D-Film von bioche­mi­schen Reak­tionen in Biomo­le­külen, Viren oder Zellen aufge­nommen. Jeder Puls liefert ein Beugungs­bild der kris­tal­linen Probe. Dank der ultra­schnellen Puls­folge lassen sich selbst extrem schnelle Abläufe verfolgen.

„Wir legen die Grund­lage für neue Tech­no­lo­gien und verbes­serte Medi­ka­mente zur Bekämp­fung von Krank­heiten. Außerdem wollen wir die Menge an CO2 in der Atmo­sphäre redu­zieren. Darum ist es wichtig, die Mecha­nismen der Photo­syn­these zu verstehen. Wenn wir wissen, wie die Natur Energie aus Licht gewinnt, wäre eine wirk­lich grüne solar­ba­sierte Ener­gie­pro­duk­tion möglich.“

Station für kleine Quan­ten­sys­teme (SQS)

Rebecca Boll ist Wissen­schaft­lerin am Instru­ment für kleine Quan­ten­sys­teme. Ein Quan­ten­system kann zum Beispiel aus einem einzelnen Atom oder Mole­külen bestehen – also aus sehr kleinen Einheiten. Deren Wech­sel­wir­kung mit Licht möchten Boll und andere inter­na­tio­nale Wissenschaftler*innen unter­su­chen. Für die Expe­ri­mente arbeiten sie mit weicher Rönt­gen­strah­lung (270 – 3.000 Elek­tro­nen­volt).

Am SQS-Instru­ment sind ganz unter­schied­liche Expe­ri­mente möglich. Was hier wie ein Objekt aus einem Museum für moderne Kunst aussieht, ist ein Versuchs­aufbau, der alle Bestand­teile von einzelnen Atomen oder Mole­külen nach­weisen kann. Dadurch erhoffen sich die Wissenschaftler*innen Erkennt­nisse über die funda­men­tale Wech­sel­wir­kung von Licht mit kleinsten Teil­chen, zum Beispiel über ultra­schnelle Explo­sionen von Mole­külen oder nicht­li­neare Prozesse, in denen ein einzelnes Atom viele Photonen absor­biert.

„In jedem einzelnen Objekt unserer Welt steckt Quan­ten­physik. Sehen kann man Quan­ten­ef­fekte jedoch nur bei sehr, sehr kleinen Teil­chen, wenn man ganz genau hinschaut. Das ist Grund­la­gen­for­schung auf sehr funda­men­talem Niveau. Mit den Erkennt­nissen können wir Phäno­mene, die es in der Physik, Chemie und Biologie gibt, erklären.“

Station für Spek­tro­skopie komplexe Struk­turen (SCS)

Robert Carley, Wissen­schaftler an der Station SCS, betreut Forscher*innen, die ultra­schnelle Dyna­miken in konden­sierter Materie, also in Fest­kör­pern und Flüs­sig­keiten, durch­leuchten möchten. Der hier eintref­fende Rönt­gen­blitz ist beson­ders weich (250 bis 3.000 Kilo­elek­tro­nen­volt).

Dieses Instru­ment kann zum Beispiel den Magne­tismus der metal­li­schen Legie­rung Eisen-Rhodium (FeRh) mit einem kurzen Rönt­gen­puls anschalten. Mit Hilfe des Rönt­gen­lichts unter­su­chen die Forscher*innen, was dabei passiert. Die Ergeb­nisse könnten vor allem für die Compu­ter­in­dus­trie inter­es­sant sein.

„Eisen-Rhodium könnte ein sehr zukunfts­träch­tiges Mate­rial für neuar­tige Daten­spei­cher sein. Dafür wollen wir am XFEL mehr über die Wech­sel­wir­kung von Materie und Licht und vor allem die mikro­sko­pi­schen Prozesse, die sich dabei abspielen, heraus­finden.“

Euro­pean XFEL

Euro­pean XFEL ist eine nicht gewinn­ori­en­tierte Forschungs­or­ga­ni­sa­tion. Um dieses Projekt auf die Beine zu stellen, schlossen sich 12 Länder zusammen. Am Bau des Projekts betei­ligten sich zahl­reiche Partner, darunter vor allem das Deut­sche Elek­tronen-Synchroton (DESY), ein Forschungs­zen­trum für natur­wis­sen­schaft­liche Grund­la­gen­for­schung. Der wissen­schaft­liche Betrieb star­tete im Jahr 2017, mitt­ler­weile arbeiten 500 Mitarbeiter*innen bei Euro­pean XFEL. Die derzeit sechs Expe­ri­men­tier­sta­tionen sind sehr gefragt. Welt­weit können sich Wissenschafter*innen aus Forschung und Indus­trie für eine defi­nierte Strahl­zeit bewerben.


Foto­grafie: Jan Hosan