Femtosekunden und Nano-eV

Die charakteristischen Längen- und Zeitskalen der Dynamik kondensierter Materie erstrecken sich über viele Größenordnungen: von ultraschnellen elektronischen Prozessen im Subfemtosekundenbereich über die Bewegung von Makromolekülen im Nano- bis Mikrosekundenbereich bis hin zu langsamen kollektiven Relaxationsprozessen im Stundenbereich, wie sie etwa bei Spingläsern auftreten.

Diese extreme Bandbreite, die in anderen Disziplinen ihresgleichen sucht, erfordert einen ganzen Zoo von experimentellen Untersuchungsmethoden, die auf der Wechselwirkung von elektromagnetischer Strahlung und von Teilchenstrahlung mit Materie beruhen. Durch revolutionäre Entwicklungen bei den Strahlungsquellen und neue raffinierte experimentelle Verfahren wurden in den letzten Jahren die Grenzen der Festkörperspektroskopie zu extremen Werten der Orts-, Zeit- und Energieauflösung verschoben. So können heute Nanopartikel mit einer Zeitauflösung im fs-Bereich bzw. Energieauflösungen im neV-Bereich untersucht werden.

In dem IFF-Ferienkurs 2000 werden diese modernen experimentellen Verfahren vorgestellt, wobei als Sonden elektromagnetische Strahlung (von Infrarot- bis harter Röntgenstrahlung), Neutronen und Elektronen diskutiert werden. Viele Experimente wurden erst durch neue Strahlungsquellen realisierbar, wie Synchrotronstrahlungsquellen der dritten Generation oder Spallationsneutronenquellen.

Wir werden die Eigenschaften dieser Quellen diskutieren, wobei Begriffe wie Kohärenz und Zeitstruktur eine zentrale Rolle spielen, und einen Ausblick auf Großprojekte im neuen Jahrtausend geben. Moderne experimentelle Verfahren wie fsec-Laserspektroskopie, neV-Neutronenspinechospektroskopie, Röntgenkorrelationsspektroskopie oder mehrdimensionale Kernspinresonanz werden vorgestellt, zusammen mit den wissenschaftlichen Anwendungsfeldern.

Die Dynamik der kondensierten Materie wird in ihrer ganzen Breite behandelt: von elektronischen Anregungen und Transport über die klassische Elementaranregungen wie Phononen und Magnonen hin zu diffusiven Bewegungen oder die wesentlich entropisch getriebene Dynamik weicher Materie z. B. von Polymeren, Membranen und komplexen Flüssigkeiten. Weitere Schwerpunkte bilden ultraschnelle Prozesse in Molekülen, der zeitliche Ablauf chemischer Reaktionen, metallische und magnetische Systeme und schließlich die dynamischen Prozesse an Oberflächen. Anwendungsnahe Themen wie etwa die Magnetoelektronik werden ebenfalls angesprochen.

Die wichtigsten Themen sind:

• fsec-Spektroskopie

• inelastische Streuung von elektromagnetischer Strahlung, Neutronen

• Elektronenelektronische Anregungen und Transport

• Magnetisierungsdynamik und Magnetoelektronik

• Oberflächendynamik

• chemische Reaktionen und transiente Zustände

• Diffusion, Relaxationsprozesse, Elementaranregungen.

Von den Teilnehmern wird erwartet, daß sie Grundkenntnisse der Quantenmechanik und der Festkörperphysik besitzen. Die wichtigsten Gebiete werden ausführlich von den Grundlagen her eingeführt. Der Ferienkurs wird knapp 50 Vorlesungsstunden plus Diskussion umfassen. Außerdem sind Institutsbesichtigungen vorgesehen.