Physik mit Synchrotronstrahlung

Atome und (künstliche) Moleküle

Hans et al., ChemPhys, 2016: Fluorescence cascades evoked by resonant interatomic Coulombic decay of inner-valence excited neon clusters2

Von Röntgenstrahlung bis sichtbarem Licht streckt sich das Emissions- und Absorptions-Spektrum elektronisch angeregter Atome und Moleküle. Wir untersuchen Atome, Moleküle und Cluster (künstliche Moleküle) mit Hilfe von Synchrotronstrahlung, Elektronenstrahlen, Licht-, Elektronen-, und Ionenspektrometern. Dabei interessiert uns der Blick in das wechselhafte Verhalten von gebundenen und freien Elektronen, um der Quantenmechanik experimentell auf den Grund zu gehen. Cluster geben uns dabei die Möglichkeit Systeme maßzuschneidern, die nicht in der Natur vorkommen. So können wir sehr viel genauer auf einzelne Aspekte der Molekülphysik blicken, als das mit natürlichen Molekülen machbar ist. 

Flüssigkeiten

Hans et al., JPCB, 10, 1021, 2017: optical fluorescence detected from x-ray irradiated liquid water

Das Ziel der Physik ist es unsere Welt zu verstehen. Damit das gelingt müssen wir unsere Modelle mit möglichst wohlcharaktersierten Experimente testen. Die Physik dichter Medien ist deshalb so schwer zu modellieren, weil sehr viele Teilchen sehr viele verschiedene Wechselwirkungen gleichzeitig vollführen. Wir nähern uns diesem Problem aus zwei Richtungen: Mit mikrohydratisierten Molekülen, d.h. einzelne Moleküle werden mit wenigen Wassermolekülen benetzt (Cluster) und unter Ultrahochvakuumbedingungen mit den gleichen Methoden untersucht, wie einzelne Atome und Moleküle. Oder mit Mikro-Flüssigkeitsstrahlen, d.h. durch eine wenige Mikrometer große Düse wird ein winziger Flüssigkeitsstrahl ins Vakuum gebracht und kann dort so Störungsfrei wie nur möglich untersucht werden.

Schwerionen

GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung

Unsere Erde ist wohlbehütet. Ein magnetischer Schild und eine Atmosphäre schützt uns vor extrem schnellen, teilweise hochgeladenen, Ionen und anderer Strahlung die ständig aus dem Universum auf uns herabregnen. Aber was passiert im Weltall (oder auf dem Mars)? Welche Schäden verursacht diese Art der Strahlung und wie können wir diese Stöße verstehen? In Darmstadt untersuchen wir am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung die Wechselwirkung von Materie mit solchen schnellen und hochgeladenen Ionen. Dabei interessiert uns nicht nur der Sonnenwind und die Wechselwirkung mit biologisch relevanten Systemen, sondern wir können auch die Grenzen der modernen Quantenelektrodynamik testen. Mit Experimenten an relativistischen (fast Lichtgeschwindigkeit schnellen) Ionen werden Aspekte der Physik sichtbar, die im Labor nie zu Tage treten würden. 

Freie-Elektronen-Laser

European XFEL / Option Z

Freie-Elektronen-Laser (FEL) stoßen eine extrem helle und vielseitige Strahlung aus, die in der Grundlagenforschung eingesetzt wird, um Moleküle und Atome in Großanlagen wie der Photonenquelle European XFEL in Hamburg oder der LCLS in Stanford (Kalifornien, USA) zu beschießen und beim Zerfall zu untersuchen. Neben der Charakterisierung der Röntgenstrahlungspulse, die wichtig ist, um reproduzierbare Experimente durchführen zu können, nutzen wir die hochbrilliante Strahlung für Experimente an chiralen Molekülen. Mithilfe dieser Strahlungspulse ist es gleichzeitig möglich einzelne Atome in Molekülen zu adressieren und die ultraschnelle Dynamik (z.B. Dissoziation, also das Auseinanderbrechen von Molekülen) auf den intrinsischen Zeitskalen (femtosekunden = 10^-15 s) zu beobachten.