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Detektor mit Attosekunden-Genauigkeit Scharfe Bilder von chemischen Reaktionen

Autor / Redakteur: Andreas Battenberg* / Christian Lüttmann

Sie schießen mit ultrakurzen, hochintensiven Röntgenblitzen auf ihre Proben. Chemiker nutzen spezielle Laser, um Reaktionsverläufe von Molekülen aufzuzeichnen. Bisher waren die Bilder wegen variierender Länge und Energie der Laserpulse allerdings unscharf. An der Technischen Universität München haben Wissenschaftler nun einen Detektorring entwickelt, der die Aufnahmequalität verbessern soll.

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Illustration des Rings aus 16 Detektoren
Illustration des Rings aus 16 Detektoren
(Bild: Copyright: Terry Anderson / SLAC National Accelerator Laboratory)

Garching – Mit der heutigen Technik können wir einiges filmen: Die Reaktion eines überraschten Freundes mit der Handykamera, oder die rasanten Ausweichmanöver eines Hasen mit einer Zeitlupenkamera. Um chemische Reaktionen zu verfolgen, muss das Aufnahmegerät jedoch bei Weitem kleinere Zeitskalen bedienen. Dies wird möglich mit einem Freie-Elektronen-Laser, kurz FEL.

FEL als ultimative Zeitlupenkamera

FEL erzeugen extrem kurze und intensive Röntgenblitze. Mit diesen können Forscher Strukturen vom Durchmesser eines Wasserstoffatoms erkennen. Biomoleküle lassen sich so in höchster Auflösung abbilden und völlig neue Einblicke in den Nanokosmos der Natur gewinnen.

Schießt man zwei solcher Blitze schnell hintereinander auf eine Probe, so erhält man sogar Informationen über die strukturellen Veränderungen während einer Reaktion: Ein erster Puls löst die Reaktion aus, mit einem zweiten Laserstrahl wird gemessen, wie die Struktur sich durch die Reaktion verändert. So können chemische Prozesse wie mit einer extrem leistungsstarken Zeitlupenkamera verfolgt werden.

Detektorring für schärferes Bild

Die Aufnahmetechnik mittels FEL hat allerdings einen Haken: Der zeitliche Verlauf der Intensität und die Länge der Röntgenblitze variieren von Blitz zu Blitz. Das Bild bleibt unscharf.

Ein von Physikern der Technischen Universität München (TUM) angeführtes internationales Team hat nun eine Lösung gefunden: Mit einem zirkular polarisierten Infrarotlaser und einem Ring aus 16 Detektoren können sie den zeitlichen Verlauf und die Energie jedes Pulses präzise messen. Damit werden die Ergebnisse der einzelnen Pulse vergleichbar.

Auf die Attosekunde genau

„Eine Attosekunde ist der Milliardste Teil einer Milliardstel Sekunde, oder anders ausgedrückt: Eine Attosekunde verhält sich zu einer Sekunde in etwa wie eine Sekunde zum gesamten Alter des Universums“, sagt Prof. Reinhard Kienberger von der TUM. „Doch die energetischen Änderungen in einem Molekül während einer Reaktion sind so unglaublich fein und schnell, dass wir nur mit solch extrem kurzen Pulsen etwas sehen.“

In seinem Experiment benutzte das Forscherteam Röntgenblitze der Linac Coherent Light Source in Menlo Park (USA). In der Probenkammer schlagen sie aus Neon-Atomen Elektronen heraus. Treffen diese nun auf einen Infrarot-Lichtimpuls, so werden sie von dessen elektrischem Feld beschleunigt oder abgebremst, je nachdem welche Feldstärke der Lichtpuls gerade hat, wenn das Elektron erzeugt wird.

Die zirkulare Polarisierung des Infrarotpulses gibt dem Elektron nun zusätzlich noch eine Richtung. Mit einem Ring aus 16 Detektoren sind daher Energie und Dauer des ursprünglichen Röntgenpulses wie auf dem Zifferblatt einer Uhr mit Attosekundengenauigkeit bestimmbar.

Die Information sowohl über die Energieverteilung als auch über die zeitliche Pulsstruktur soll es künftig erlauben, ganz spezifisch einzelne Reaktionsstellen in komplizierteren Molekülen anzusprechen und deren Einfluss auf den Verlauf der Veränderungen während der Reaktion in Echtzeit zu verfolgen.

Relevanz für die Weiterentwicklung von Freie-Elektronen-Lasern

„Diese Technik kann nun auch dazu verwendet werden, die Entwicklung der FELs selbst voranzutreiben“, sagt Dr. Wolfram Helml, Leiter des Forschungsteams. „Wir erhalten eine sofortige Rückmeldung über die Pulsstruktur während der FEL durchgestimmt wird. So können wir gezielt Röntgenblitze mit ganz bestimmter Dauer oder energetischen Eigenschaften erzeugen.“

Von besonderem Interesse sei die neue Technik auch für Forschungsarbeiten am neuen European X-ray Free-Electron Laser (Eu-XFEL) in Hamburg, sagen die Münchener Wissenschaftler. Denn im Unterschied zu anderen Techniken kann die Methode aus München auch für Messungen mit der hohen Wiederholrate genutzt werden, wie sie hochmoderne Anlagen wie der Eu-XFEL zur Verfügung stellen.

Auch im Rahmen des gerade im Aufbau befindlichen Centre for Advanced Laser Applications in Garching bei München, wo mithilfe laserbasierter Röntgentechnik Methoden zur Früherkennung und Therapie chronischer Krankheiten entwickelt werden sollen, könnte diese Technologie eingesetzt werden.

Originalpublikation: N. Hartmann, G. Hartmann, R. Heider, M. S. Wagner, M. Ilchen, J. Buck, A. O. Lindahl, C. Benko, J. Grünert, J. Krzywinski, J. Liu, A. A. Lutman, A. Marinelli, T. Maxwell, A. A. Miahnahri, S. P. Moeller, M. Planas, J. Robinson, A. K. Kazansky, N. M. Kabachnik, J. Viefhaus, T. Feurer, R. Kienberger, R. N. Coffee and W. Helml: Attosecond time–energy structure of X-ray free-electron laser pulses. Nature Photonics volume 12, pages 215–220 (2018), DOI: 10.1038/s41566-018-0107-6

* Dr. A. Battenberg, Technische Universität München, 85748 Garching

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