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4,7 Km Netzwerk synchronisiert Synchrotron: Extremste Genauigkeit für Röntgenschnappschüsse

Redakteur: Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Bei wissenschaftlichen Fragestellungen ist oftmals extremste Genauigkeit gefragt. Um Forschern diese zu bieten, haben die Betreiber des Deutschen Elektronen-Synchrotrons in Hamburg jetzt mit einem hochpräzisen Metronom das kilometergroße Netzwerk mit Attosekunden-Genauigkeit synchronisiert.

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Modengekoppelte Laser können extrem genaue so genannte optische Puls-Züge erzeugen, die sich als hochpräzise Taktgeber eignen. Forscher haben bei DESY nun so ein Laser-Metronom entwickelt, das zahlreiche Laser- und Mikrowellen-Quellen erstmals mit Attosekunden-Genauigkeit in einem kilometergroßen Netzwerk synchronisieren kann.
Modengekoppelte Laser können extrem genaue so genannte optische Puls-Züge erzeugen, die sich als hochpräzise Taktgeber eignen. Forscher haben bei DESY nun so ein Laser-Metronom entwickelt, das zahlreiche Laser- und Mikrowellen-Quellen erstmals mit Attosekunden-Genauigkeit in einem kilometergroßen Netzwerk synchronisieren kann.
(Bild: DESY/Polina Şafak)

Hamburg – Mit einem hochpräzisen Laser-Metronom haben Forscher bei DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) erstmals ein kilometergroßes Netzwerk mit einer Genauigkeit im Attosekunden-Bereich synchronisiert. Ein optischer Taktgeber ermöglichte in einem 4,7 Kilometer großen Testnetzwerk für Laser- und Mikrowellen-Signale eine über mehrere Stunden stabile Synchronisation auf 950 Attosekunden genau, wie das Team um DESY-Forscher Prof. Franz X. Kärtner in einer Arbeit berichtet. Damit war das Timing etwas besser als auf ein Milliardstel einer millionstel Sekunde. So ein hochpräziser Takt ermöglicht exakte Serien von Röntgen-Schnappschüssen ultraschneller dynamischer Prozesse in der Welt der Atome und Moleküle.

Von Biomolekülen bis zur Satellitennavigation

„Für viele Forschungsfelder ist eine extrem hohe Zeitgenauigkeit von Bedeutung“, betont einer der Hauptautoren, Kemal Şafak, Doktorand in Kärtners Gruppe am Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) in Hamburg. „Beispielsweise erfordern manche Geodäsie-Aufgaben eine Signal-Synchronisation mit Pikosekunden-Genauigkeit, das ist eine billionstel Sekunde. Hochpräzise Satellitennavigation benötigt eine noch höhere Präzision von bis zu 40 Femtosekunden, genau wie etwa der Zusammenschluss mehrerer Teleskope in der Astronomie.“ Eine Femtosekunde ist eine billiardstel Sekunde, das entspricht 1000 Attosekunden (trillionstel Sekunden).

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Freie-Elektronen-Röntgenlaser sollen in diesem Jahr in Betrieb gehen

Mit so genannten Freie-Elektronen-Röntgenlasern (X-ray Free-Electron Lasers, XFEL) wie dem European XFEL, der in diesem Jahr in Betrieb geht und dessen Hauptgesellschafter DESY ist, möchten Forscher extrem schnelle Prozesse im Nanokosmos beobachten, etwa wie Biomoleküle ihre Struktur ändern oder wie chemische Reaktionen im Detail ablaufen. „Röntgenlicht ermöglicht eine exzellente räumliche Auflösung auf atomarem Maßstab“, erläutert Şafak. „Die Herausforderung liegt darin, die nötige Zeitauflösung im Attosekundenbereich zu erreichen, in dem sich wichtige molekulare und atomare Prozesse abspielen.“

Chemische Reaktionen mit einem Laserpuls starten

DESYs Pionier-Röntgenlaser FLASH erreicht bereits eine anlagenweite Synchronisation mit einer beeindruckenden Präzision von 30 Femtosekunden. Das ermöglicht etwa sehr exakt gesteuerte so genannte Pump-Probe-Experimente, bei denen ein dynamischer Prozess – beispielsweise eine chemische Reaktion – von einem Laserpuls gestartet wird (Pump) und mit einem zweiten, präzise verzögerten Laserpuls untersucht wird (Probe). Wiederholt man dieses Experiment viele Male mit steigender Verzögerung zwischen den beiden Pulsen, ergibt sich eine Serie von Schnappschüssen, die den zeitlichen Verlauf der untersuchten Reaktion zeigt und sich zu einem Superzeitlupenfilm kombinieren lässt. Ohne präzise Synchronisation zwischen den Pulsen ließe sich die Dynamik nicht klar auflösen.

„Wenn wir eine noch höhere Präzision erreichen können, verspräche dies komplett neue wissenschaftliche Einblicke in molekulare und atomare Prozesse, die auf der Attosekunden-Zeitskala stattfinden“, erläutert DESY-Forscher Kärtner, der auch Professor an der Universität Hamburg ist und eine Forschungsgruppe am Massachusetts Institute of Technology (MIT) leitet, wo er vor mehr als zehn Jahren begonnen hat, an hochpräzisen Taktgeber-Systemen zu arbeiten. „Es wird erwartet, dass dies viele Forschungsfelder revolutionieren wird, von der Strukturbiologie über die Materialforschung und Chemie bis zur physikalischen Grundlagenforschung.“

„Anlagen wie Röntgenlaser oder Atto-Forschungszentren benötigen eine systemweite Synchronisierung von Dutzenden optischen und Mikrowellensignalen mit Attosekunden-Genauigkeit, oft über kilometerlange Distanzen,“ betont Kärtner. Zu diesem Zweck haben die Forscher ein optisches Synchronisationssystem entwickelt, das die extrem rauscharmen Puls-Züge sogenannter modengekoppelter Laser als Takt nutzt.

Wie die Attosekunden-Synchronisation funktioniert, erklärt DESY-Forscher Kemal Şafak im Video.

Mithilfe speziell stabilisierter Glasfaserverbindungen konnten sie das Taktsignal über lange Strecken von einem zentralen Zeitgeber zu zahlreichen Stationen übertragen, wo sich auf diese Weise eine robuste Synchronisation mit entfernten optischen und Mikrowellenquellen erreichen ließ.

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