Forschung mit Photonen
(slides about the research field, presented on the PIER Advisory Board Meeting on 15 April 2013: klick here)
Aus dem Alltag ist der Laser nicht mehr wegzudenken – sei es im DVD-Player, als Laserpointer oder im Barcode-Scanner der Supermarktkasse. Auch in den Labors der Grundlagenforscher zählt der Laser heute zu den wichtigsten Werkzeugen. Sein intensives, gebündeltes Licht macht zahllose Experimente überhaupt erst möglich, mit denen Wissenschaftler die Eigenschaften der unterschiedlichsten Materialproben untersuchen. Hierbei arbeiten sie nicht nur mit Lasern, die sichtbares Licht liefern, sondern auch mit Anlagen, die hochintensive Ultraviolett- und Röntgenblitze erzeugen – Laserstrahlung, mit denen sich Materialien äußerst genau durchleuchten lassen.

Die Laser der neuesten Generation liefern extrem kurze Licht- und Röntgenblitze – Pulse, die zum Teil nur einige Femtosekunden lang sind, das sind billiardstel Sekunden. Mit solchen Blitzen lassen sich extrem schnelle Prozesse im Mikrokosmos verfolgen, etwa das Wechselspiel der Moleküle bei einer chemischen Reaktion. Laser, die besonders intensives Licht liefern, können höchst exotische Materiezustände kreieren – zum Beispiel Plasmen, wie sie sonst nur im Inneren von Sternen zu finden sind. Andere Systeme sind auf höchste Präzision getrimmt: Ihre Laserstrahlen sind derart stabil und gebündelt, dass sie einzelne Atome in Lichtfallen einsperren und gezielt ansteuern können – eine Grundlage etwa für die „Quantenkommunikation“, einen interessanten Kandidaten für die Informationstechnologie der Zukunft.

Der Forschungsstandort Hamburg bietet hier eine umfassende Expertise: Am Institut für Laserphysik der Universität arbeiten renommierte Fachleute an innovativen Techniken etwa für Medizin und Messtechnik. Das neue Zentrum für Optische Quantentechnologien ZOQ in Hamburg-Bahrenfeld widmet sich der gezielten Manipulation von Atomen, Molekülen und so genannten Quantengasen und schafft damit das Basiswissen für künftige Kommunikationstechnologien.

Mit PETRA III und FLASH beherbergt das Forschungszentrum DESY zwei der leistungsfähigsten Photonenquellen der Welt, mit dem European XFEL wird ein weiteres Spitzengerät dazukommen. Die Anlagen basieren auf riesigen Teilchenbeschleunigern und liefern extrem intensive Röntgen- und UV-Blitze. Mit ihnen können Wissenschaftler feinste Details einer Materialprobe enthüllen – bis hin zur genauen Lage der Atome in einem Kristall. Bereits heute arbeiten Universität und DESY in Sachen Forschung mit Photonen eng zusammen – sei es in einem BMBF-Forschungsschwerpunkt, einem Sonderforschungsbereich der DFG oder dem neuen Center for Free-Electron Laser Science CFEL. PIER unterstützt die Wissenschaftler dabei, stärkere und präzisere Lichtquellen zu entwickeln, um noch genauer in den Nanokosmos blicken und ultraschnelle Prozesse aus der Welt der Atome und Moleküle verfolgen zu können.