Im Inneren kosmischer Giganten, wie Jupiter
oder der Sonne, herrscht ein merkwürdiger 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 Dr. Katerina Falk
dieser sogenannten „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 die warme dichte
Materie 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 miteingeschlossen 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 mitaufzubauen. 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 (DFG).