Plasmaforschung mit Hochdruck

Im Inneren kosmischer Giganten, wie der Sonne, herrscht ein besonderer Zustand. Der extrem große Druck und die hohe Temperatur verwandeln die Materie in Plasma – ein brodelndes Gemisch wild umher­fliegender Atome, Ionen und Elektronen. Die Materie ist dadurch gleichzeitig dichter als alle bekannten Fest­körper, aber auch derart heiß, dass sie den Schmelz­punkt jeglichen Materials übersteigt. Mit ihrer neuen Nachwuchs­gruppe geht Katerina Falk dieser „warmen dichten Materie“ am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) seit Anfang März 2018 auf den Grund. In den nächsten sechs Jahren unterstützt die Helmholtz-Gemeinschaft die Physikerin dafür mit insgesamt 1,8 Millionen Euro.

„Obwohl es sich die meisten Menschen in ihrem täglichen Leben wahrscheinlich nicht vorstellen können, ist die warme dichte Materie der häufigste Zustand im Universum“, erzählt Katerina Falk. „Wir finden sie in Sternen, Galaxien und kosmischen Nebeln. Trotzdem gibt es hier immer noch viel zu entdecken.“ Das liegt nach Einschätzung der Forscherin vor allem an den Schwierigkeiten, die Materie­form experimentell zu untersuchen. So lässt sich diese Materie­form mit den bisher verfügbaren Sonden und Methoden nicht genau genug erforschen. Katerina Falk, die von der tschechischen Extreme Light Infra­structure ELI nach Dresden wechselt, will deshalb mit einem Postdoc und zwei Doktoranden hierfür geeignetere Verfahren entwickeln. Mit den beiden Hoch­leistungs­lasern Draco und zukünftig Penelope findet sie am HZDR dafür die perfekte Umgebung.

„Indem wir einen hochintensiven Laserpuls auf eine gas­förmige Probe schießen, erzeugen wir im Labor ein Plasma“, erläutert Falk. „Der Puls reißt Elektronen aus den Atomen heraus und kreiert so eine Art Blase im Plasma, die ein starkes elektrisches Feld enthält. Dieses Feld wiederum, das der Laserpuls mit sich zieht, schließt die Elektronen ein und beschleunigt sie auf diese Weise bis fast auf Licht­geschwindigkeit. Die dabei entstehende Strahlung können wir nutzen, um Materie zu durchleuchten.“ Aufbauend auf dem Prinzip will die Forscherin eine neuartige Plattform entwickeln, die Lang- und Kurzpuls-Laser mit räumlich aufgelösten Röntgen­strahlen sowie innovativen Techniken der Elektronen­streuung kombiniert. Falk erhofft sich dadurch neue Erkenntnisse über fundamentale Vorgänge in der warmen dichten Materie, wie dem Strahlungs­transport, der Wärme­übertragung oder der elektrischen Leit­fähigkeit.

„Diese Prozesse spielen bei vielen astro­physikalischen Phänomenen eine entscheidende Rolle, zum Beispiel bei der Entstehung der Planeten oder der Magnetfelder in ihrem Kern“, erklärt die Physikerin. Im Anschluss an die Experimente in Dresden will sie die neuen Methoden auch in Prag bei ELI sowie an der Helmholtz International Beamline for Extreme Fields HIBEF, die das HZDR am Europäischen Röntgen­laser XFEL in Hamburg aufbaut, testen. Exzellente Rahmen­bedingungen liefert ihr die Helmholtz-Gemeinschaft mit dem Förder­instrument der Nachwuchs­gruppen, schätzt die Forscherin ein: „Die garantierte Unter­stützung über sechs Jahre gibt ausreichend Zeit, um ein Projekt ordentlich durchzuführen.“ Außerdem lobt Katerina Falk die Möglichkeiten zur Lehre, die bei dem Programm mit eingeschlossen sind. So wird sie neben ihrer Forschung am HZDR auch einen Kurs im Master­studien­gang Physik an der TU Dresden geben.

Nach dem Studium am Imperial College London sowie ihrer Promotion in Atom- und Laser­physik an der Universität Oxford hat Katerina Falk zunächst von März 2012 bis Dezember 2014 am Los Alamos National Laboratory in New Mexico geforscht. Vor drei Jahren zog es sie nach Prag, um dort die Beamline ELI mit aufzu­bauen. Im vergangenen September erhielt Katerina Falk die Zusage für eine Nachwuchs­gruppe von der Helmholtz-Gemeinschaft. Mit diesem Programm will die größte deutsche Forschungs­organisation exzellente Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler beim Start in eine eigenständige Karriere unterstützen. Pro Jahr werden 20 Gruppen ausgeschrieben – 2017 konnten sich 16 Forscher die Förderung sichern. Neben Falks Team gibt es am HZDR derzeit drei weitere Helmholtz- sowie eine Emmy-Noether-Nachwuchs­gruppe der Deutschen Forschungs­gemeinschaft.

HZDR / DE