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Arbeitsgruppen

Momentan sind zehn Arbeitsgruppen am Helmholtz-Institut Jena angesiedelt. Davon arbeiten drei Gruppen im Bereich der Theorie und sieben Gruppen sind experimentell tätig.

 

Theoretische und computergestützte Physik der relativistischen Laserplasmen und  Röntgenerzeugung

Kontakt: Dr. Sergey Rykovanov

Das Ziel unserer wissenschaftlichen Nachwuchsgruppe ist es, das theoretische Verständnis der in relativistischen Laserplasmen unter extremen Bedingungen auftretenden Vorgänge  voran zu bringen. Unser Forschungsprogramm konzentriert sich auf das Studium solcher Effekte wie Teilchenbeschleunigung, Röntgen- und Gammastrahlenerzeugung, Attosekunden und Erzeugung von Elektron-Positron-Paaren und Kaskaden. Diese Vorgänge sind nicht nur für verschiedene Anwendungen attraktiv, das Wissen darüber ist auch von großer Bedeutung für unser Verständnis von Universum, insbesondere im Bereich der Plasmaastrophysik. Mit Einsatz der moderner Programmiertechniken und Hardware-Architekturen entwickeln wir neue numerische Methoden und Software zur Simulation der Teilchen- und Plasmadynamik in extremen Laserfeldern.

 

Quantenfeldtheorie bei höchsten Intensitäten

Kontakt: Prof. Dr. Holger Gies, Dr. Felix Karbstein
Homepage: Quantenfeldtheorie

Moderne Hochintensitätslaser eröffnen einen völlig neuen Zugang zur Untersuchung grundlegender physikalischer Fragestellungen. Unter anderem können mit Lasern, komplementär zur Forschung mit Teilchen­be­schleu­ni­gern, die funda­men­talen Eigen­schaften der Natur auf mi­kro­sko­pischer Quanten­ebene untersucht werden.

Unsere theoretische Arbeitsgruppe erforscht diese neuen Möglichkeiten im Rah­men der Quanten­feld­theorie. Unser Ziel ist es, neu­artige Signaturen und Observablen elementarer physikalischer Pro­zesse in hoch­inten­sitven Laserfeldern zu iden­tifi­zieren, diese theoretisch zu untersuchen und konkrete, experi­mentell realisierbare Anordnungen zu deren Nachweis vorzuschlagen.

 

Theoretische Atomphysik - Relativistische Quantendynamik der Ionen und Strahlen

Kontakt: Prof. Dr. Stephan Fritzsche, Dr. Andrey Volotka
Homepage: Relativistische Atomphysik

Wir untersuchen die Quantendynamik von einzelnen Ionen sowie von Licht- und Elektronenstrahlen. Unser Ziel ist hierbei, die Struktur, Eigenschaften und das dynamische Verhalten sowohl von Ein- und Wenigelektronensystemen als auch von (nahezu) neutralen Atomen unter dem Einfluss – mehr oder minder – starker Coulomb- und Strahlungsfelder sowie bei relativistischen Stoßenergien zu erforschen.  Unsere theoretischen Untersuchungen helfen so, die relativistischen, quantenelektrodynamischen und Vielkörpereffekte unter extremen Bedingungen besser zu verstehen.

Unsere Forschung beeinflußt zudem auch eine Vielzahl anderer Themen der modernen Physik, bspw. in der Astro- und Kernphysik, Physik der warmen dichten Materie, Plasmadiagnostik und Laserspektroskopie sowie auf der Suche nach „neuer“ Physik jenseits des Standardmodels. Wir freuen uns daher stets über neue Kontakte zu theoretischen und experimentellen Gruppen.

 

Atomphysik mit hochgeladenen Ionen und Röntgenstrahlen

Kontakt: Prof. Dr. Thomas Stöhlker, Dr. Günter Weber
Homepage: Atomphysik hochgeladener Ionen

Das aktuelle Forschungsprogramm ist fokussiert auf  die Untersuchung der harten Röntgenstrahlung, die in Ion-Atom-Stößen bzw. allgemein in Photon-Materie-Wechselwirkungen ermittiert wird.

Unser Hauptaugenmerk liegt auf Studium der einfachen Atomsysteme in weitestgehend unerforschten Bereich der schweren Ionen mit hoher Kernladungszahl und extremen Feldstärken. Dadurch werden unsere Kenntnisse die Physik der starken Felder erweitern und bestehende Theorien getestet. Unsere Untersuchungen werden ergänzt durch das Studium der Prozesse, die in hochintensiven Laserfelder oder in Synchrotronanlagen auftreten.

In unseren Experimentierkompanien werden verschiedene Röntgendetektoren, u. a. Standard-Germanium-Detektoren und 2D-auflösende Compton-Polarimeter, Röntgen-CCDs sowie Mikrokolorimeter, eingesetzt und weiterentwickelt.

 

Wechselwirkung starker Felder mit Ionentargets

Kontakt: Prof. Dr. Gerhard Paulus
Homepage: Nichtlineare Optik

In diesem Forschungsprojekt wird ein Strahl aus atomaren oder molekularen Ionen mit ultrakurzen Laserpulsen überlappt, die nur wenige Femtosekunden 10-15 s lang sind und Intensitäten bis zu 1017 W/cm2 erreichen. Die Impulsverteilung aus der Laser-Materie-Wechselwirkung resultierenden Fragmente wird in allen drei Dimensionen gemessen. Der dadurch entstehende Parameterraum erreicht das relativistische Regime und ist somit einzigartig. Die experimentellen Daten werden verwendet, um bestehende theoretische Modelle zu testen und neue Theorien anzuregen.

 

Nachwuchsgruppe Spektroskopie und Mikroskopie mit weichen Röntgenstrahlen

Kontakt: Dr. Jan Rothhardt
Homepage: Nachwuchsgruppe Rothhardt

Die Nachwuchsgruppe forscht auf dem Gebiet der Entwicklung und Anwendung neuartiger Quellen der XUV Strahlung mit einem hohen Photonenfluss sowie Quellen der weichen Röntgenstrahlung. Sie werden ermöglicht durch Erzeugung hohen Harmonischen mittels leistungsfähiger femtosekunden Faserlaser. Dadurch entstehen einzigartige kompakte Strahlungsquellen, die auf ein Labortisch passen und sich für die Spektroskopie an hochgeladenen Ionen sowie Mikroskopie mit Nanometerauflösung eignen.

Hochpräzise Röntgenpolarimetrie und Spektroskopie

Kontakt: Prof. em. Eckhart Förster, Dr. Ingo Uschmann
Homepage: Röntgenoptik

Forschungsthemen unserer Gruppe sind die Entwicklung von Methoden zur präzisen Messung von Röntgenemissionspektren und Polarisationszuständen verschiedener Röntgenquellen. Darunter fallen u. a. die Emission hochangeregter Materie (Plasma, Ionen) sowie neue Quellen wie z. B. Synchrotrons der dritten Generation und Freie-Elektronen-Laser im Röntgengebiet. Zudem werden mit polarimetrischen Methoden kleinste Polarisationsänderungen an Proben, z. B. an Dünnschichtsystemen und an magnetischen Strukturen, untersucht. Um die durch unsere Geräte beobachteten physikalischen Prozesse im Detail zu verstehen, entwickeln wir anspruchsvolle Messgeräte und Simulationstechniken. Sie werden in verschiedenen Bereichen u. a. in der Festkörper- und der Plasmaphysik sowie der Quantenelektrodynamik eingesetzt.

 

Relativistische Laserphysik

Kontakt: Prof. Dr. Malte Kaluza
Homepage: Relativistische Laserphysik

Die Forschung unserer Arbeitsgruppe konzentriert sich auf die Entwicklung und Anwendung vonHochleistungslasersystemen, die Spitzenleistungen von über 100 Terawatt (TW) erreichen. Das Lasersystem POLARIS, ein wesentlicher Bestandteil der Forschungsinfrastruktur des HI-Jena, wurde vollständig in unserer Gruppe entwickelt. Derzeit ist POLARIS das weltweit einzige vollständig Laserdioden-gepumpte System, das Laserpulse mit Spitzenleistungen von mehreren 100 TW erzeugt, die routinemäßig in Experimenten eingesetzt werden können. Damit untersuchen wir die von lasererzeugten Plasmen verursachte Beschleunigung von geladenen Teilchen (Elektronen, Protonen oder schwerere Ionen) mit Energien von einigen 10 bis mehreren 100 MeV. Die Entwicklung passender Diagnostiken, vor allem von Laserpulsen mit nur wenigen optischen Zyklen, erlaubt uns detaillierte Studien dieser Vorgänge mit zuvor nie erreichter räumlicher und zeitlicher Auflösung. Mögliche Anwendungen der beschleunigten Teilchenpulse werden ebenfalls untersucht. Diese umfassen u.a. die Erzeugung von sekundären elektromagnetischen Strahlungspulsen oder die Bestrahlung von Tumorzellen.

 

Hochintensive Laserquellen vom EUV- bis zum mittleren IR-Spektrum

Kontakt: Prof. Dr. Jens Limpert
Homepage: www.iap.uni-jena.de

Eine Vielzahl wissenschaftlicher und industrieller Anwendungen verlangt nach kohärenten Laserquellen in verschiedensten Spektralbereichen, die zugleich eine schnelle Wiederholrate und einen hohen Photonenfluss aufweisen sollen. Angesichts dessen untersuchen wir neue Mechanismen zur Leistungssteigerung von ultraschnellen Nah-Infrarot-Laserquellen, sowie deren Frequenzkonversion zu kürzeren (UV-, EUV- und Röntgenstrahlung) und längeren Wellenlängen (im mittleren Infrarot-Bereich). Die in der Gruppe entwickelten Lasersysteme zählen damit zu den weltweit stärksten ihrer Art.