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Schnappschüsse im Metallgitter

Mein Fach Schnappschüsse im Metallgitter

Was macht eigentlich ein „Professor für ultraschnelle Dynamik in kondensierter Materie“? Matias Bargheer arbeitet an der Universität Potsdam in diesem Fachgebiet. Bargheer glaubt, dass die Forschung uns nicht nur in die Lage versetzen wird, bessere Speichermedien zu bauen. Wir würden auch verstehen, was in sogenannten Supraleitern geschieht.

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Materieforscher Matias Bargheer vor der Röntgenquelle.

Quelle: Julian Stähle

Potsdam. Fragt man Matias Bargheer, was er als Professor für ultraschnelle Dynamik in kondensierter Materie außer Forschen und Lehren macht, antwortet er: „Ich verwende viel Zeit darauf, um Anträge zu schreiben, weil wir extrem teure Techniken verwenden.“ Eineinhalb Millionen für die Laser-getriebene Röntgenquelle im Keller des Instituts für Physik und Astronomie der Universität Potsdam rückt kein Hochschulpräsident so einfach heraus. Da müssen auch mal das Bundesforschungsministerium und die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) einspringen. Aber wenn die Anträge erst einmal geschrieben, die Forschungsprojekte durch und damit die Gehälter der am Lehrstuhl angestellten rund 20 Mitarbeiter verfügbar sind, kann es losgehen.

Die Apparate, die Bargheers Mitarbeiter für die Untersuchung von Vorgängen in Materie benutzen, erreichen beim „Fotografieren“ eine Geschwindigkeit von einer Femtosekunde. „Eine Femtosekunde ist ein Millionstel von einem Millionstel Sekunde – und davon noch das Tausendstel“, sagt Bargheer. Hoffnungslos, sich diese Geschwindigkeit vorstellen zu wollen. Oder hilft es zu sagen, dass das hunderttausend mal schneller ist als ein elementarer Schritt im schnellsten Computer-Prozessor dauert? Aber mit Vorgängen, die genau so unvorstellbar schnell ablaufen, haben es Physiker für „ultraschnelle Dynamiken“ zu tun. Seit den 90er-Jahren gibt es mit ultraschnellen Röntgenblitzen – Bargheer nennt seine Maschine „our sexiest instrument“ –  auch das entsprechende  Instrumentarium, elementare Prozesse sozusagen in Echtzeit zu verfolgen.

„Kondensierte Materie“ ist grob gesprochen alles, was nicht gasförmig ist. Es gibt natürlich auch in Gasen ultraschnelle Dynamiken, „aber kondensierte Materie ist komplexer und gleichzeitig anwendungsnäher“, sagt Bargheer. Deshalb habe er sich diesen Bereich ausgesucht. „Gase eignen sich dafür, die Dinge physikalisch zu verstehen“, so Bargheer, die Forschung an festem Material erlaube aber vielleicht später einmal bessere Speichermedien oder effizientere Photovoltaik zu entwickeln. Warum dafür die Einsicht in ultraschnelle Vorgänge wichtig ist? Bargheer veranschaulich  es an einem Beispiel.

Dysprosium ist ein 1886 entdecktes Metall, das zu den seltenen Erden gehört. „Wenn man es erwärmt, dehnt es sich nicht wie andere Metalle aus, sondern zieht sich zusammen“, sagt Bargheer. Die Leute hätten richtig vermutet, dass dies an magnetischer Wechselwirkung liege, die einzelne Atome bei der Erwärmung aufeinander ausüben. Worin sich die Forschung aber irrte: Das Zusammenziehen ist nicht die erste Reaktion des Dysprosiums auf Wärme. Zuerst dehnt es sich nämlich ebenfalls aus, aber nur für einen unvorstellbar kurzen Moment. Dank solchen Untersuchungen zur „ultraschnellen  Dynamik“, wie sie auch an Bargheers Lehrstuhl gemacht werden, weiß man, dass die zugeführte Energie vor allem in Schwingungen des Atomgitters übergeht. Dann kommen die magnetischen Eigenschaften der Atome selbst zum Tragen und erzeugen das Zusammenziehen. „Das untersuchen wir auch in meiner gemeinsamen Forschergruppe am Synchrotron des Helmholtz-Zentrums Berlin.“ Nur die superschnellen Röntgenblitze im Keller des Instituts – oder die tausend mal kostspieligeren Freie-Elektronen-Laser – sind in der Lage, solche Vorgänge zu erfassen und abzubilden.

Die Röntgenstrahlen können direkt die räumliche Periode der Atome messen, die gleichmäßig auf einem Kristallgitter angeordnet sind. Allgemein lässt sich durch solche Untersuchungen herausfinden, was zugeführte Energie mit bestimmter Materie macht. Bargheer glaubt, dass die Forschung uns  nicht nur in die Lage versetzen wird, bessere Speichermedien zu bauen, wir würden auch verstehen, was in sogenannten Supraleitern, also Stoffe ohne jeden elektrischen Widerstand, geschieht.

Von Rüdiger Braun

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