13.07.2018

Atto-Pulse unter der Lupe

Zirkulare Polarisierung ermöglicht Attosekunden-genaue Bestimmung von FEL-Pulsen.

Freie-Elektronen-Laser (FEL) erzeugen extrem kurze und intensive Röntgen­blitze. 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 vermessen, wie die Struktur sich durch die Reaktion verändert. Doch die Technologie hat einen Haken: Der zeitliche Verlauf der Intensität und die Länge der Röntgen­blitze variieren von Blitz zu Blitz. Das Bild bleibt unscharf.

Abb.: Ultrakurze Röntgenpulse (rosa) ionisieren Neongas im Zentrum des Rings. Ein Infrarot­laser (orange) lenkt die Elektronen (blau) auf ihrem Weg zu den Detektoren ab. (Bild: T. Anderson / SLAC)

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.

„Eine Attosekunde verhält sich zu einer Sekunde in etwa wie eine Sekunde zum gesamten Alter des Universums“, sagt Reinhard Kienberger, Professor für Laser- und Röntgen­physik an der TU München. „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 Forschungsteam 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 nach dem 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.

„Diese Technik kann nun auch dazu verwendet werden, die Entwicklung der FELs selbst voran­zutreiben“, sagt 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 ist die neue Technik auch für Forschungs­arbeiten am neuen European X-ray Free-Electron Laser in Hamburg, da sie im Unterschied zu anderen Techniken, auch für Messungen mit der hohen Wiederhol­rate genutzt werden kann, die diese hoch­moderne Anlage zur Verfügung stellt. Auch im Rahmen des gerade im Aufbau befindlichen Centre for Advanced Laser Applications (CALA) in Garching bei München, wo mithilfe laser­basierter Röntgen­technik Methoden zur Früh­erkennung und Therapie chronischer Krankheiten entwickelt werden sollen, könnte diese Technologie eingesetzt werden.

TUM / DE

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