Mit BESSY VSR Energiematerialien erforschen

Neue supraleitende Kavitäte für BESSY-VSR

Neue supraleitende Kavitäten für BESSY VSR. © HZB/E. Strickert

BESSY VSR ist ein neuer Ansatz, um im Speicherring BESSY II sowohl lange als auch kurze brillante Photonenpulse zu erzeugen. Dafür werden die Elektronenpakete, die die Lichtpulse abgeben, zuvor in einem Paar supraleitender Kavitäten entsprechend komprimiert. Am Experiment lassen sich damit nach Bedarf entweder intensive Lichtpulse für die Röntgen-Spektroskopie, -Mikroskopie und -Streuung auswählen oder Pikosekundenpulse mit hohen Repetitionsraten von bis zu 500 MHz für Untersuchungen der Dynamik. Zusätzlich können auch Pulse im Terahertz-Bereich mit hoher Intensität erzeugt werden.

BESSY VSR bietet im Vergleich zu klassischen Synchrotronstrahlungsquellen der 3. Generation die Möglichkeit über die Beobachtung statischer Eigenschaften und ihrer quantenmechanischen Beschreibung hinaus auch die Kinetik chemischer Reaktionen und dynamische (Umschalt-)Prozesse auf Pikosekundenskala zu analysieren. Dies eröffnet tiefere Einblicke in Materialien für Energieanwendungen, künftige Informationstechnologien und Grundlagenforschung im Bereich Energie. Strategische Relevanz von BESSY VSR für die Forschung mit Photonen

In intensiver Zusammenarbeit mit der weltweiten Forschungsgemeinschaft  und den Nutzergruppen hat das HZB den Mehrwert und wissenschaftlichen Nutzen von BESSY VSR diskutiert und ausgearbeitet. Das Ergebnis: Mit BESSY VSR entsteht eine weltweit einzigartige Photonenquelle: das zusätzliche Angebot von Pikosekundenpulsen im weichen Röntgenbereich mit hohen Repetitionsraten ermöglicht die zerstörungsfreie Untersuchung von reversiblen Dynamiken und Umschaltprozessen in Materialien auf molekularer Ebene. Die Röntgenexperimente an BESSY VSR sind komplementär und kompatibel zu Untersuchungen von dynamischen Prozessen mit Hilfe von optischen Lasern.

BESSY VSR füllt damit die Lücke zwischen Hochleistungsspeicherringen (Ultimate Storage Rings) wie PETRA III und den Freien Elektronen Lasern. Hochleistungsspeicherringe sind ideal geeignet für statische Spektroskopie, Streuung und Beugung, während die Freie Elektronen Laser XFEL und FLASH mit ihren Röntgenpulsen im Femtosekundenbereich Schnappschüsse von schnellen Reaktionen und die Erfassung von nichtreversiblen dynamischen Prozessen in Molekülen ermöglichen.

Technologisch lassen sich für die für BESSY VSR benötigten supraleitenden Hochstrom-Kavitäten Synergien aus dem Zukunftsprojekt BERLinPro nutzen, für das supraleitende CW-Kavitäten entwickelt werden.

Einzigartige neue wissenschaftliche Einblicke durch BESSY VSR im Bereich Energiematerialien und künftigen Informationstechnologien.

BESSY VSR wird Wege aufzeigen, um Schlüsselfragen der Energie-Materialforschung zu beantworten. Zum Beispiel: Wie lassen sich Eigenschaften von neuen Energiematerialien am effizientesten  kontrollieren? Und wie schnell können solche Eigenschaften verändert werden und wie stabil sind diese neuen Eigenschaften?

Experimente mit Synchrotronstrahlung ermöglichen die Analyse der geometrischen und  elektronischen Strukturen in Materialien. Auf Basis dieser Einblicke lassen sich gezielt Übergangszustände anregen, deren Dynamik die Funktionalität von Materialien bestimmt. Diese Übergangszustände lassen sich mit Hilfe der Pikosekundenpulse von BESSY VSR zeitaufgelöst beobachten. BESSY VSR eignet sich damit ausgezeichnet dafür, die Prinzipien zu bestimmen, die in funktionalen Materialien reversible Prozesse auslösen, zum Beispiel beim Umschalten zwischen mehreren Zuständen.

In Grundlagenfragen der Energieforschung kann BESSY VSR Herausforderungen in der Photochemie, Photosynthese, Photovoltaik und Katalyseforschung aufgreifen und die einzelnen Schritte bei der Erzeugung solarer Brennstoffe aufklären. So schafft ein tieferes Verständnis der photochemischen Prozesse erst die Grundlage, um die Reaktionskinetik zu kontrollieren und Informationen über lichtinduzierte Veränderungen der elektronischen Struktur in molekularen Systemen zu gewinnen. Neue Einsichten in Grund- und angeregte Übergangszustände mit zeitaufgelöster Röntgenspektroskopie an BESSY VSR tragen dazu bei, Ladungstransfer-Reaktionen in Metallo-Enzymen, lichtinduzierte Protonentransfer-Reaktionen und Nichtgleichgewichtsprozesse in Wasserstoffbrücken-Systemen aufzuklären.

Im Bereich der Photovoltaik lassen sich mit zeitaufgelöster Röntgenspektroskopie die Kopplung der Ladungsträger, ihre Dynamik und die Grenzflächeneigenschaften aufklären. Dieses vertiefte Verständnis liefert einen Schlüssel, um die Effizienz von photovoltaischen Bauelementen wirksam zu optimieren.

Für die Katalyse kann die zeitaufgelöste weiche Röntgenspektroskopie genutzt werden, um Aktivität und Selektivität von heterogenen Katalysatoren und ihrer Oberflächenchemie zu ermitteln.  Damit lassen sich die Grundlagen für das wissensbasierte Design von künftigen Katalysatoren legen, die für solare Brennstoffen, saubere Verbrennung und grüne Chemie erforderlich sind.

Schließlich können photovoltaische und elektrokatalytische Funktionalitäten in einem einzelnen Material oder Komposit kombiniert werden, um damit solare Brennstoffe zu erzeugen. Mit BESSY VSR stehen dann extrem leistungsstarke und vielseitige Methoden zur Verfügung, um die Erzeugung und Rekombination von Ladungen, ihre Transferdynamik und Lebenszeiten in solaren-Brennstoff-Elementen zu untersuchen. Zusätzlich kann BESSY VSR die Zeitskalen und Energieverluste ermitteln, die mit dem Ladungstransfer über die Grenzflächen zwischen Halbleitern und Katalysatoren zusammenhängen.

Ein weiteres Beispiel ist das bessere Verständnis der Photoysnthese.  Sie  ist der Schlüsselprozess für die Sauerstoffregeneration auf dem Planeten Erde. Mit BESSY VSR  kann die Reaktionskinetik im Membran-Protein-Komplex des Photosystems II unter realistischen Bedingungen, in vivo und in Lösung, aufgeklärt werden. Insbesondere kann das katalytisch aktive Reaktionszentrum auf der nano- und Millisekunden Zeitskala spektroskopisch analysiert werden.

Für künftige Informationstechnologien wird BESSY VSR wertvolle Einsichten liefern: mit den brillanten Pikosekundenpulsen lassen sich reversible magnetische und optische Umschaltprozesse beobachten und Prozesse aufklären, die von Gitterschwingungen (Phononen) oder magnetischen Schwingungen (Magnonen) getrieben werden. Auch Aussagen zur Präzessionsmagnetisierungsdynamik, zu resistiven Umschaltdynamiken oder Schaltprozessen in Nanostrukturen für die Speicherung von Informationen lassen sich treffen.

In nanostrukturierten Materialien wird BESSY VSR ermöglichen, direkte Spin-Anregungen in einzelnen Nanopartikeln zu erfassen. Untersuchungen an Topologischen Isolatoren, die für die Spintronik relevant sind, werden von den neuen Möglichkeiten für multidimensionale Röntgenspektroskopie an BESSY VSR profitieren, um die Kopplung der elektronischen Struktur an die chemische Umgebung und die geometrische Struktur aufzuklären.

Reversible Umschaltprozesse sind nicht nur in Festkörpern zu finden, sondern auch in molekularen Systemen, zum Beispiel über Isomerisation, Tautomerisation oder Kreuzkorrelation von Spinanregungen, welche die Grundlage für die molekulare Elektronik sind. Sowohl Röntgenanalysen als auch Pulse vom Infrarot- bis in den Terahertzbereich an BESSY VSR erlauben einzigartige Experimente mit einer Zeitauflösung im Pikosekundenbereich, um die Beziehungen zwischen Struktur, Dynamik und Funktion in funktionalen molekularen Systemen aufzuklären.

Diese Zusammenfassung der wissenschaftlichen Motivation für BESSY VSR ist aus dem Englischen übertragen und leicht gekürzt. Den Originaltext finden Sie hier (in englisch).