Suchen

Röntgenblitze Attosekundenlange Röntgenblitze für Strukturuntersuchungen

| Autor / Redakteur: Dr. Andreas Battenberg / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Ultrakurze, hochintensive Röntgenblitze, wie sie an Freie-Elektronen-Lasern erzeugt werden, öffnen das Tor zu einer bisher unbekannten Welt. Mit ihrer Hilfe „fotografieren“ Wissenschaftler den Aufbau kleinster Strukturen, wie etwa die Anordnung von Atomen in Molekülen. Um nicht nur die räumliche sondern auch die zeitliche Auflösung weiter zu verbessern, müsste man die genaue Dauer und Intensität der Röntgenblitze kennen. Dies ist nun einem internationalen Team von Wissenschaftlern gelungen.

Firmen zum Thema

Wie kurz der Röntgenblitz (blau dargestellt, von links ins Bild kommend) ist, bestimmen die Forscher über einen Laserpuls (roter Wellenzug), der ebenfalls von links kommend auf das Zentrum der Messanordnung trifft. Dort schlägt der Röntgenblitz Elektronen aus Gasatomen heraus. Sie erden vom elektrischen Feld des Laserpulses je nach dem Zeitpunkt ihrer Emission beschleunigt oder abgebremst. Von einem Detektor (rechts oben) werden die Energien dieser Elektronen (grün dargestellt) gemessen und daraus Rückschlüsse auf die Dauer des ursprünglichen Röntgenblitzes gezogen.
Wie kurz der Röntgenblitz (blau dargestellt, von links ins Bild kommend) ist, bestimmen die Forscher über einen Laserpuls (roter Wellenzug), der ebenfalls von links kommend auf das Zentrum der Messanordnung trifft. Dort schlägt der Röntgenblitz Elektronen aus Gasatomen heraus. Sie erden vom elektrischen Feld des Laserpulses je nach dem Zeitpunkt ihrer Emission beschleunigt oder abgebremst. Von einem Detektor (rechts oben) werden die Energien dieser Elektronen (grün dargestellt) gemessen und daraus Rückschlüsse auf die Dauer des ursprünglichen Röntgenblitzes gezogen.
(Bild: Christian Hackenberger / MPQ)

Garching – Röntgenblitze sind ein einmaliges wissenschaftliches Werkzeug. Um sie zu erzeugen, werden Elektronen zunächst in oft kilometerlangen Linearbeschleunigern auf sehr hohe Energien gebracht und anschließend durch spezielle Magnetanordnungen gelenkt. Dabei senden die Teilchen Röntgenlicht aus, das sich verstärkt, bis ein ultrakurzer und intensiver Röntgenblitz entsteht.

Mit diesen Röntgenblitzen erkennen Forscher Strukturen von rund 0,1 nm, das entspricht ungefähr dem Durchmesser eines Wasserstoffatoms. So lassen sich etwa Biomoleküle in höchster Auflösung abbilden und völlig neue Einblicke in den Nanokosmos der Natur gewinnen.

Mit zwei schnell aufeinander folgenden Blitzen lassen sich sogar Informationen über die strukturellen Veränderungen während einer Reaktion erhalten: Ein erster Laserblitz löst die Reaktion aus, mit einem zweiten Blitz wird vermessen, wie die Struktur sich durch die Reaktion verändert. Dazu müssen die genaue Dauer und der zeitliche Verlauf der Intensität des Röntgenblitzes bekannt sein. Bisher jedoch gab es keine Möglichkeit, ultrakurze Pulse genau zu vermessen.

Durch Überlagerung Länge der Röntgenblitze bestimmt

Forscher der Technischen Universität München (TUM), des Hamburger Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) und des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik (MPQ) in Garching haben gemeinsam mit weiteren Kollegen nun eine solche Methode entwickelt. Die Experimente dazu fanden am US-Beschleunigerzentrum SLAC National Accelerator Laboratory in Kalifornien (USA) unter der Leitung von Professor Reinhard Kienberger, Dr. Wolfram Helml (TUM) und Dr. Andreas Maier (CFEL) statt.

Die Dauer der Röntgenblitze bestimmten die Wissenschaftler, indem sie ein ursprünglich für die Messung ultrakurzer Lichtblitze entwickeltes Verfahren modifizierten. Die Physiker schickten die Röntgenblitze in eine mit wenigen Edelgasatomen gefüllte Vakuumkammer. Dort überlagerten sie sie mit einem Infrarot-Lichtpuls von 2,4 µm Wellenlänge.

Treffen nun die Röntgenblitze auf Gasatome, schlagen sie Elektronen aus deren kernnächster Schale heraus und setzen diese frei. Die Elektronen werden dabei vom elektrischen Feld des zweiten Lichtpulses abgebremst oder beschleunigt. Die Geschwindigkeitsänderung hängt davon ab, wann das Licht des überlagerten Pulses die Elektronen erfasst und welche elektrische Feldstärke damit zum Zeitpunkt der Erzeugung gerade vorliegt.

Da während der gesamten Dauer des Röntgenpulses Elektronen frei gesetzt werden, „spüren“ Elektronen die zu unterschiedlichen Zeiten erzeugt werden verschiedene Feldstärken des periodisch schwingenden zusätzlichen Lichtfeldes. Dadurch werden sie unterschiedlich beschleunigt. Aus den unterschiedlichen Ankunftszeiten der Elektronen an einem Detektor berechnen die Physiker, wie lange die ursprünglichen Röntgenblitze gewesen sein müssen.

Mit dieser Methode stellten die Forscher fest, dass die Pulse im Schnitt nicht länger sind als 4,5 Femtosekunden – eine Femtosekunde entspricht 10-15 Sekunden. Zudem gewannen die Forscher Erkenntnisse über die Struktur der Röntgenblitze.

(ID:43094453)