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Das Neutron und die
Herausforderungen des 21.
Jahrhunderts
Forschung mit Neutronen ist unverzichtbar für die
Lösung vieler grundlegender Fragestellungen der
modernen Naturwissenschaften. Als Beispiel sei die
moderne Physik herausgegriffen, deren aktuelle intellektuelle
Herausforderungen sich plakativ nach den
„drei Unendlichkeiten“ ordnen lassen: dem Verständnis
des „unendlich Kleinen“ (Fundamentale Kräfte und
Grundbausteine der Materie), des „unendlich Großen“
(Ursprung und Entwicklung des Universums) und des
„unendlich Vielfältigen“ (Phänomene kondensierter
Materie als Folge des Wechselspiels einer großen Anzahl
von Atomen bzw. Molekülen). Neutronen tragen
Wesentliches zu allen diesen Fragestellungen bei. Sie
sind dabei meist nicht ersetzbar.
Neutron als Untersuchungsobjekt
Zum einen sind Neutronen selbst das Untersuchungsobjekt.
Auf der größten Skala geben sie entscheidende
Impulse für die Kosmologie, etwa für das Verständnis
der Entstehung der Elemente und der Phasenübergänge
des frühen Universums. Auf der kleinsten Skala
erlauben sie, die Grenzen des Standardmodells der
Teilchenphysik auszuloten und ermöglichen wesentliche
Fortschritte im Verständnis der starken, elektroschwachen
und gravitativen Wechselwirkungen. Als neutrale
elementare Teilchen sind Neutronen ideale Quantenobjekte,
mit denen neuartige nichtklassische Zustände
erzeugt und untersucht werden können.
Neutron als Sonde
Zum anderen sind Neutronen vorzügliche Sonden
zur Untersuchung von kondensierter Materie in ihrer
ganzen Vielfalt. Diese Untersuchungen betreffen die
„unendlich vielen Dinge“, mit denen wir täglich in
Berührung kommen und die hochkomplexen Phänomene,
die aus dem Zusammenspiel der Teilkomponenten
resultieren. Vielleicht am deutlichsten sichtbar wird die
hiermit verbundene Herausforderung in den Lebenswissenschaften.
Nach Aufklärung der atomaren Struktur
von Proteinen steht ein Verständnis der molekularen
biologischen Prozesse an, und Neutronen als Sonden
haben an Quellen der nächsten Generation ein enormes
Potential, solche dynamische Vorgänge aufzuklären.
Die Physik als Basiswissenschaft nähert sich der Biologie
über die Untersuchung von weicher Materie, die in
mehrkomponentigen Systemen komplexe Selbstorganisation
zeigt. Vorgänge auf mikro- bis mesoskopischen
Längenskalen in derart komplexen Systemen lassen
sich hervorragend mit Neutronenstreuung aufklären,
die durch gezielte Deuterierung eine mehrdimensionale
Kontrastvariation erlaubt.
Empfindlich ...
Komplexität ist auch die große Herausforderung der
modernen Festkörperforschung. Mit der Empfi ndlichkeit
für Wasserstoff oder für molekulare Schwingungen
liefern Neutronen einzigartige Beiträge, z. B. für die supramolekulare
Chemie oder die Katalyse. Faszinierende
makroskopische Quanteneffekte, wie die Hochtemperatursupraleitung
oder der kolossale Magnetowiderstand,
treten in komplexen Übergangsmetalloxiden mit starken
elektronischen Korrelationen auf. Mit dem empfi ndlichen
Wechselspiel zwischen den Spin-, Ladungs-, Orbital-
und Gitterfreiheitsgraden, die zur Selbstorganisation
auf einer Nanometerskala führen, versprechen solche
Verbindungen noch viele überraschende Entdeckungen
und neuartige Anwendungen, etwa in der Sensorik
oder Spintronik. Neutronen erlauben, die Ordnung und
Anregungen der relevanten Freiheitsgrade empfi ndlich
nachzuweisen und damit zwischen den verschiedenen
möglichen Mechanismen zu unterscheiden.
...auf allen Skalen
Neutronen als Sonden in der Nanowelt eignen sich
jedoch nicht nur für Untersuchungen auf kleinster Skala
(Pikometer bis Mikrometer) und auf kürzesten Zeiten
(Pikosekunden bis Mikrosekunden). In der Geologie
gestatten Texturuntersuchungen mit Neutronen, verbunden
mit entsprechender Modellierung, Aussagen über
geodynamische Vorgänge, die über Millionen von Jahren
und Kilometern von Tiefenbewegungen verlaufen.
Breites Anwendungsspektrum
Diese unvollständige Aufzählung von aktuellen Fragestellungen
in der Forschung mit Neutronen vermittelt
einen ersten Eindruck von der Breite des Anwendungsspektrums
dieses „Geschenks der Natur“. Es kann
nicht das Ziel dieses Papiers sein, dieses Spektrum
in voller Breite abzudecken. Wir konzentrieren uns
daher auf einige wenige, zum Teil fächerübergreifende,
Herausforderungen des 21. Jahrhunderts, die sich unter
Schlagworten „Komplexität“, „Korrelationen“, „Eingeschränkte
Dimensionalität“ zusammenfassen lassen.
Die im Folgenden angesprochenen Themen haben Beispielcharakter
und lassen sich oft unter verschiedenen
Kategorien einordnen. So ist es zwar nahe liegend, biologische
Fragestellungen unter dem Oberbegriff „Komplexität“
einzuordnen. Andererseits liefern biologische
Membranen ein schönes Beispiel für „Eingeschränkte
Dimensionalität“.
Neben der Beantwortung grundlegender Fragestellung
hat die Forschung mit Neutronen auch großen Anwendungsbezug
und strahlt damit direkt aus in unser tägliches
Leben. Dieser Aspekt wird im folgenden Kapitel
schlaglichtartig beleuchtet. Eine weitergehende und umfangreichere
Analyse der Möglichkeiten der Forschung
mit Neutronen fi ndet sich in [5] und [6].
18 Herausforderungen
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