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Zeitauflösung an Röntgenlasern

Moleküldynamik auf eine billiardstel Sekunde genau verfolgen

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In der jetzt veröffentlichten Studie untersuchten die Wissenschaftler mit ihrem Algorithmus Daten einer Forschergruppe um Stanford-Professor Philip Bucksbaum. Bucksbaum und sein Team hatten im Jahr 2010 mit dem Freie-Elektronen-Röntgenlaser LCLS (Linac Coherent Light Source) am SLAC National Accelerator Laboratory in Kalifornien (USA) die Dynamik von doppelt elektrisch geladenen Stickstoffmolekülen erforscht. Diese ungewöhnlichen Stickstoff-Ionen erzeugten die Wissenschaftler durch den Beschuss mit Röntgenstrahlung. Aber auch in der Atmosphäre entstehen diese Ionen durch die Wirkung der energiereichen kosmischen Strahlung, die beständig aus dem Weltall auf die Erde einprasselt. Das Ergebnis des Experiments: Eine große Anzahl von Schnappschüssen unterschiedlicher Schwingungszustände intakter und auseinandergebrochener Stickstoffmoleküle, deren zeitliche Reihenfolge jedoch nicht klar erkennbar war. Ourmazd und seinen Kollegen gelang es nun mit Hilfe ihres Algorithmus, die Schwingungsbewegungen der Moleküle mit einer Genauigkeit von einer Femtosekunde zu bestimmen. Damit konnten sie das dynamische Verhalten der Stickstoffmoleküle mit einer um den Faktor 300 verbesserten Präzision rekonstruieren.

Revolutionäre Datenanalysetechnik

Santra und sein Team am CFEL führten anschließend die quantenmechanische Berechnung der untersuchten Prozesse durch und bestätigten die erzielte Genauigkeit von einer Femtosekunde. „Das schließen wir daraus, dass die extrahierten Schwingungsperioden mit exakt dieser Genauigkeit mit unseren quantenmechanischen Rechnungen übereinstimmen“, sagt Santra. Und nicht nur das: Erst durch die Simulationsrechnungen von Santras Team konnten die Forscher überhaupt sagen, woher die im Experiment beobachteten Schwingungen kamen, was sie bedeuten, sowie wann und warum die doppelt geladenen Stickstoffmoleküle auseinanderbrechen.

Mit der neuen Datenanalysetechnik lassen sich nicht nur zukünftige Experimente präziser auswerten. Auch bereits vorhandene Messungen können neu analysiert werden. Einzige Voraussetzung: Die Menge der Daten muss ausreichend sein. Das sei bisher vor allem bei der Untersuchung dreidimensionaler Strukturen problematisch, erläutern die Forscher. Wie beispielsweise in der Kristallographie, wo schon für ein Einzelbild eine Unmenge Röntgenschüsse nötig sind, um einen statistisch signifikanten Datensatz zu erhalten. „Vielleicht wird dieses Problem zukünftig durch den European XFEL gelöst“, sagt Santra. Der 3,4 Kilometer lange Freie-Elektronen-Röntgenlaser, der derzeit im Hamburger Westen gebaut wird, erzeugt noch 100 mal mehr Lichtblitze pro Zeiteinheit als bisherige FELs.

„Diese Methode hat das Zeug, die Forschung an FELs zu revolutionieren“, sagt Santra. Und sie hat einen großen Vorteil: Sie arbeitet nicht mit aufwendigen technischen Lösungen, sondern setzt stattdessen sehr geschickt mathematische Operationen ein. „Dieser Weg ist nicht nur einfacher, sondern auch noch erfolgreicher, weil die Ergebnisse viel exakter sind“, sagt Santra. Der Physiker sieht zahlreiche Anwendungsgebiete. „Die Methode lässt sich als sehr viel präziseres Werkzeug überall dort einsetzen, wo man wissen möchte, wie sich Materie verhält – dynamisch gesehen auf kurzen Zeitskalen.“ Darunter etwa Enzym-Reaktionen aus der Biologie und der Chemie, aber auch die Erforschung ungewöhnlicher Materiezustände, wie sie im Inneren von Planeten und Sternen auftreten. Projektleiter Ourmazd geht noch weiter und hofft, mit seinem Algorithmus eine Vielzahl von Zeitreihen wie etwa vergangene klimatische Ereignisse präziser bestimmen zu können.

Originalpublikation: R. Fung, A.M. Hanna, O. Vendrell, S. Ramakrishna, T. Seideman, R. Santra and A. Ourmazd: Dynamics from noisy data with extreme timing uncertainty, Nature“, 2016, DOI: 10.1038/nature17627

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