Neutronen-Holographie

Die Idee der holographischen Abbildung wurde von Dennis Gabor bereits 1948 formuliert. Aus technischen Gründen wurde es allerdings erst Jahrzehnte später, nach der Entwicklung leistungsfähiger Laser möglich, dieses Verfahren in größerem Maßstab einzusetzen. Heute sind die charakteristischen dreidimensionalen Hologramme, die eine Bildbetrachtung aus verschiedenen Perspektiven ermöglichen, allgemein bekannt. Im Prinzip kann ein Hologramm jedoch nicht nur mit Licht sondern mit jeder Art von Wellen aufgezeichnet werden, wobei hier nicht nur elektromagnetische Wellen sondern auch Materiewellen in Betracht kommen. Nach theoretischen Vorarbeiten wurden 1990 erstmals Hologramme erzeugt, die, entsprechend der ursprünglichen Idee Gabors, auf den Welleneigenschaften von Elektronen beruhen. 1996 gelang erstmals die Herstellung von Röngenhologrammen. Dabei wird es durch die Verwendung von Elektronen oder Röntgenstrahlung möglich, die Anordnung einzelner Atome relativ zu ihren Nachbaratomen dreidimensional sichtbar zu machen, wodurch die mit gewöhnlichem Licht erzielbare Auflösung um mehrere Größenordnungen verbessert wird. Elektronen liefern relativ stark verzerrte holographische Bilder und sind in ihrer Anwendung auf Oberflächen beschränkt. Röntgenstrahlen haben eine höhere Eindringtiefe in Materie als Elektronen, sind jedoch für die Abbildung sehr leichter Atome wie Wasserstoff bzw. Kombinationen aus Atomen von Elementen mit sehr unterschiedlicher Ordnungszahl nur wenig geeignet. Neutronen unterliegen diesen Einschränkungen nicht. Hinzu kommt: Während Elektronen und Röntgenstrahlen mit der atomaren Hülle wechselwirken, werden Neutronen primär an den Atomkernen gestreut, wodurch deren Position unmittelbar sichtbar gemacht und eine weitere Verbesserung der Auflösung um einige Größenordnungen erzielbar wird. 2001 wurden von ungarischen Physikern gemeinsam mit dem Antragsteller erstmals Techniken zur Herstellung von Hologrammen mit Neutronen vorgeschlagen, deren praktische Umsetzbarkeit inzwischen sowohl von dieser Gruppe als auch von kanadischen Forschern durch die tatsächliche Aufzeichnung von Neutronenhologrammen im Experiment bestätigt werden konnte. Das vorliegende Projekt verfolgt im wesentlichen zwei Ziele: zum einen sollen verschiedene technische Probleme der Aufzeichnung untersucht und u.a. gezeigt werden, dass sich die benötigte Zeit zur Anfertigung eines Hologramms von derzeit 10 Tagen auf etwa 1 Stunde reduzieren lässt. Zum anderen soll an Hand verschiedener, sorgfältig ausgewählter Beispiele demonstriert werden, auf welchen Gebieten in Zukunft mit praktischen Anwendungen der Neutronenholographie gerechnet werden kann. Dazu zählen unter anderem wasserstoffhältige Substanzen (Wasserstoffspeicher, organische Verbindungen, geologisch bedeutsame Minerale) sowie neuartige magnetische Materialien und intermetallische Legierungen.

Die Idee der holographischen Abbildung wurde von Dennis Gabor bereits 1948 formuliert. Aus technischen Gründen wurde es allerdings erst Jahrzehnte später, nach der Entwicklung leistungsfähiger Laser möglich, dieses Verfahren in größerem Maßstab einzusetzen. Heute sind die charakteristischen dreidimensionalen Hologramme, die eine Bildbetrachtung aus verschiedenen Perspektiven ermöglichen, allgemein bekannt. Im Prinzip kann ein Hologramm jedoch nicht nur mit Licht sondern mit jeder Art von Wellen aufgezeichnet werden, wobei hier nicht nur elektromagnetische Wellen sondern auch Materiewellen in Betracht kommen. Nach theoretischen Vorarbeiten wurden 1990 erstmals Hologramme erzeugt, die, entsprechend der ursprünglichen Idee Gabors, auf den Welleneigenschaften von Elektronen beruhen. 1996 gelang erstmals die Herstellung von Röngenhologrammen. Dabei wird es durch die Verwendung von Elektronen oder Röntgenstrahlung möglich, die Anordnung einzelner Atome relativ zu ihren Nachbaratomen dreidimensional sichtbar zu machen, wodurch die mit gewöhnlichem Licht erzielbare Auflösung um mehrere Größenordnungen verbessert wird. Elektronen liefern relativ stark verzerrte holographische Bilder und sind in ihrer Anwendung auf Oberflächen beschränkt. Röntgenstrahlen haben eine höhere Eindringtiefe in Materie als Elektronen, sind jedoch für die Abbildung sehr leichter Atome wie Wasserstoff bzw. Kombinationen aus Atomen von Elementen mit sehr unterschiedlicher Ordnungszahl nur wenig geeignet. Neutronen unterliegen diesen Einschränkungen nicht. Hinzu kommt: Während Elektronen und Röntgenstrahlen mit der atomaren Hülle wechselwirken, werden Neutronen primär an den Atomkernen gestreut, wodurch deren Position unmittelbar sichtbar gemacht und eine weitere Verbesserung der Auflösung um einige Größenordnungen erzielbar wird. 2001 wurden von ungarischen Physikern gemeinsam mit dem Antragsteller erstmals Techniken zur Herstellung von Hologrammen mit Neutronen vorgeschlagen, deren praktische Umsetzbarkeit inzwischen sowohl von dieser Gruppe als auch von kanadischen Forschern durch die tatsächliche Aufzeichnung von Neutronenhologrammen im Experiment bestätigt werden konnte. Das vorliegende Projekt verfolgt im wesentlichen zwei Ziele: zum einen sollen verschiedene technische Probleme der Aufzeichnung untersucht und u.a. gezeigt werden, dass sich die benötigte Zeit zur Anfertigung eines Hologramms von derzeit 10 Tagen auf etwa 1 Stunde reduzieren lässt. Zum anderen soll an Hand verschiedener, sorgfältig ausgewählter Beispiele demonstriert werden, auf welchen Gebieten in Zukunft mit praktischen Anwendungen der Neutronenholographie gerechnet werden kann. Dazu zählen unter anderem wasserstoffhältige Substanzen (Wasserstoffspeicher, organische Verbindungen, geologisch bedeutsame Minerale) sowie neuartige magnetische Materialien und intermetallische Legierungen.