So rasend schnell bewegen sich Ladungen in Materialien
Winzige Ladungen entscheiden, wie gut Handys, Solarzellen und Chips funktionieren. Eine neue Anlage in Berlin macht ihre Bewegung bald in Echtzeit sichtbar. Die Technologie dafür hat die TU Bergakademie Freiberg gemeinsam mit Partnern entwickelt.
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BESSY II in Berlin liefert besonders intensives Röntgenlicht für die Materialforschung. © Friedrich Roth
Eine Billionstel Sekunde ist für uns kaum vorstellbar. In modernen Materialien kann in dieser kurzen Zeit jedoch Entscheidendes passieren: Elektrische Ladungen bewegen sich und verteilen sich neu. Forschende der TU Bergakademie Freiberg (TUBAF) haben eine Messanlage mitentwickelt, mit der sich solche extrem schnellen Vorgänge bald genauer untersuchen lassen. Nach rund vier Jahren Entwicklungsarbeit ist sie nun an der Forschungsanlage BESSY II in Berlin fertig aufgebaut worden.
BESSY II erzeugt besonders intensives Röntgenlicht, mit dem die Wissenschaft Materialien und die Vorgänge in ihrem Inneren untersuchen kann. Teams aus aller Welt führen dort Experimente durch. Die ersten Versuche mit der neuen Anlage aus Freiberg sind für Februar 2027 geplant.
Was passiert nach einem Lichtblitz?
Geleitet hat das Projekt der TUBAF-Physiker Friedrich Roth. Mit der neuen Anlage können Forschende beobachten, was unmittelbar nach einem kurzen Lichtimpuls in einem Material geschieht. Diese Vorgänge laufen extrem schnell ab, innerhalb von Pikosekunden. Eine Pikosekunde ist eine Billionstel Sekunde. "Im Mittelpunkt steht dabei die Frage, wie sich elektronische Ladungen nach der Anregung eines Materials bewegen", erklärt Roth. Und auch, wie sie sich im Material verteilen.
Eine Besonderheit der neuen Anlage ist, dass sie solche extrem schnellen Vorgänge besonders effizient messen kann. Das ist wichtig, weil die Zeit für Experimente an großen Forschungsanlagen wie BESSY II begrenzt ist. Je effizienter eine Messung läuft, desto mehr Informationen können Forschende während ihrer Messzeit gewinnen. So lassen sich beispielsweise verschiedene Materialien oder unterschiedliche Versuchsbedingungen miteinander vergleichen.
Neue Möglichkeiten für internationale Forschung
Das Interesse ist bereits groß. Forschungsgruppen aus Schweden, Großbritannien, Frankreich und den USA wollen künftig mit der neuen Anlage experimentieren. Am Aufbau waren neben der TU Bergakademie Freiberg auch das Helmholtz-Zentrum, das Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft, das Deutsche Elektronen Synchrotron DESY und das European XFEL beteiligt. "Moderne experimentelle Forschung funktioniert zunehmend in Netzwerken", sagt Roth. Keine einzelne Universität und keine einzelne Großforschungseinrichtung könne die dafür nötige Expertise allein abdecken.
Künftig werden Forschungsgruppen ihre eigenen Materialien zu BESSY II bringen und mit der neuen Anlage untersuchen. Das ermöglicht Wissen, das unter anderem für die Entwicklung von Halbleitern und neuen Energiematerialien wichtig ist.
