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Ultrakurze Röntgenpulse Terahertzblitze ermöglichen exakte Röntgenmessung

| Redakteur: Dr. Ilka Ottleben

Je schneller ein Vorgang abläuft, desto kürzer muss die Belichtung sein, die diesen sichtbar macht. Wissenschaftler haben nun eine neue Methode entwickelt, um Prozesse mit hochintensiven ultrakurzen Röntgenpulsen bis auf wenige Femtosekunden genau zu untersuchen. Die Zeitauflösung der für die Messungen genutzen Großgeräte kann so voll ausgereizt werden.

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Die Wissenschaftler trennen mit Hilfe eines Spiegels den Röntgenpuls (blau) vom Terahertzpuls (rot). Der Röntgenblitz tritt dabei durch ein zehn Millimeter kleines „Loch“ in der Mitte des Spiegels hindurch. (Bild: HZB, DESY)
Die Wissenschaftler trennen mit Hilfe eines Spiegels den Röntgenpuls (blau) vom Terahertzpuls (rot). Der Röntgenblitz tritt dabei durch ein zehn Millimeter kleines „Loch“ in der Mitte des Spiegels hindurch. (Bild: HZB, DESY)

Berlin, Hamburg, Jena– Viele physikalische und chemische Vorgänge laufen in extrem kurzer Zeit und auf extrem kleinen Längenskalen ab, in der Regel in Zeiten von billiardstel Sekunden und auf Längen von milliardstel Metern. Um solche Phänomene zu untersuchen, nutzen Forscher intensive ultrakurze Röntgenblitze.

Röntgenblitze zu erzeugen, die nur wenige Femtosekunden lang sind, ist seit einigen Jahren möglich. Sie können beispielsweise von Freie-Elektronen-Lasern (FEL) wie FLASH am Forschungszentrum DESY in Hamburg, LCLS in Stanford (USA) oder dem im Bau befindlichen Röntgenlaser European XFEL erzeugt werden. Tatsächliche Experimente waren aber bislang nur mit einer Auflösung von typischerweise etwa hundert Femtosekunden möglich – also zwei Größenordnungen schlechter als die erzielten Pulsdauern. Das Problem lag darin, genau zu bestimmen, wann die Röntgenpulse im Experiment ankommen.

Eine Gruppe aus Wissenschaftlern des Helmholtz-Zentrums Berlin für Materialien und Energie (HZB), des DESY, des Unternehmens European XFEL und des Helmholtz-Instituts Jena hat nun einen Weg gefunden, die Ankunftszeit von Röntgenpulsen mit einer Genauigkeit von weniger als zehn Femtosekunden zu messen. Die Methode basiert auf einer so genannten Kreuzkorrelation.

Terahertzblitz als zeitlicher Marker des Röntgenlichtblitzes

Die neue Methode wurde am Freie-Elektronen-Laser FLASH für so genannte „Pump-Probe“-Verfahren entwickelt. Dabei löst ein erster ultrakurzer Pump-Puls beispielsweise eine photochemische Reaktion aus. Ein zweiter Puls aus Röntgenlicht „fotografiert“, wie sich die Reaktion entwickelt. Forscher können nun genau bestimmen, zu welchem Zeitpunkt das Bild durch den zweiten Puls entsteht. Die Wissenschaftler nutzen bei ihrer neuen Methode hierfür einen Nebeneffekt der Röntgenpulserzeugung: Das in FLASH beschleunigte Elektronenpaket sendet, neben dem Röntgenblitz, gleichzeitig einen intensiven Terahertzblitz aus. Die Wissenschaftler trennen beide Blitze mit Hilfe eines gelochten goldbeschichteten Spiegels voneinander. Da beide Pulse zur gleichen Zeit und vom gleichen Elektronenpaket erzeugt werden, dient der Terahertzblitz als zeitlicher „Marker“ des Röntgenlichtblitzes, der als Zeitreferenz genutzt wird. So gelang es den Forschern, bis auf sieben Femtosekunden genau zu bestimmen, wann der Röntgenlichtblitz die Probe erreicht.

Die neue Methode kann nun mit sehr geringen Modifikationen an allen bestehenden und geplanten neuen FEL-Quellen angewendet werden. In Kombination mit entsprechenden Experimenten eröffnet sie die Möglichkeit, das Potenzial dieser Großgeräte voll auszuschöpfen. Erstmals können Phänomene nun auf der relevanten Femtosekunden-Zeitskala mit Röntgenpulsen untersucht werden. Darauf haben Wissenschaftler lange gewartet.

Originalpublikation:

F. Tavella, N. Stojanovic, G. Geloni & M. Gensch: Few-femtosecond timing at fourth-generation X-ray light sources, Nature Photonics, Year published: (2011), DOI: doi:10.1038/nphoton.2010.311, Received 08 June 2010, Accepted 06 December 2010, Published online 30 January 2011

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