Die Grammatik von XFEL-Impulsen

Mithilfe lernender Rechner ist es einem internationalen Forscher­team gelungen, die Eigen­schaften spezieller Röntgen­strahlung aus Freie-Elek­tronen-Lasern – kurz XFELs – genau und schnell zu bestimmten. Das macht Experi­menta­toren in aller Welt viele Unter­suchungen von Mole­külen und Atomen leichter und eröffnet neue Möglich­keiten der Grund­lagen­forschung in der Physik, Biologie, Chemie und Material­wissen­schaft.

XFELs stoßen eine extrem helle und vielseitige Strahlung aus, die in der Grund­lagen­forschung ein­ge­setzt wird, um Moleküle und Atome in Groß­anlagen wie der Photonen­quelle European XFEL in Hamburg zu beschießen und beim Zerfall zu unter­suchen. Doch um die gewon­nenen Daten exakt auszu­werten, müssen die Eigen­schaften jedes Strahlungs­impulses – Inten­sität, Puls-Dauer, Wellen­länge – genau bestimmt werden. Das war bis­lang nur mit sehr auf­wändigen und zeit­inten­siven Ver­fahren möglich.

Das Team hat jetzt ein Verfahren entwickelt, die Eigen­schaften der Impulse mit sehr großer Genauig­keit vorher­zusagen. Für ihre neue Methode verwen­deten die Wissen­schaftler einen Trick: Bestimmte Eigen­schaften von XFEL-Impulsen lassen sich nur mit einem sehr auf­wändigen und lang­wierigen Ver­fahren bestimmen. Andere Eigen­schaften können mit einem schnelleren Ver­fahren bestimmt werden, das aber nur einen Teil der nötigen Daten liefert. Die Wissen­schaftler brachten ihren Rechnern bei, diese beiden Daten­sätze mitein­ander zu ver­knüpfen und die Bezie­hung zwischen ihnen zu ver­stehen. Von den „schnel­leren“ Daten können die Computer nun auch auf die Daten rück­schließen, die sonst nur sehr langsam zu gewinnen sind.

„Man kann sich das vorstellen wie bei einer Sprache“, vergleicht André Knie von der Uni Kassel. „Wir haben dem Algo­rithmus beige­bracht, wie die Struktur, wie die Gram­matik der Eigen­schaften von XFEL-Impulsen aus­sieht – neue Vokabeln können dann aus dem Kontext er­schlossen werden. Das bedeutet, dass die Rechner selbst­ständig die Ergeb­nisse neuer Experi­mente aus­werten können.“ Die Treff­genauig­keit liegt bei 97 Prozent.

„Für die Grundlagenforschung bedeutet dies, dass der Einsatz von XFELs viel prakti­kabler wird“, ergänzt Knies Kollege Gregor Hart­mann. „Atome und Mole­küle lassen sich so in Zukunft umfas­sender, schneller und ein­facher unter­suchen. Unsere Arbeits­gruppe wird diese Technik ein­setzen, um beispiels­weise die Chira­lität, die Händig­keit von Mole­külen zu unter­suchen“, also die Frage, warum sich Mole­küle aus den­selben Ele­menten oft völlig unter­schied­lich ver­halten. „Das Ver­fahren kann aber auch die Ent­wick­lung neuer digi­taler Speicher­ver­fahren beschleu­nigen und im Grunde in allen Natur­wissen­schaften zum Ein­satz kommen.“

U. Kassel / RK