Elektronen-Bewegung in einem Atom messen

Freie-Elektronen-Laser, kurz XFELs für „X-ray free-electron lasers“, liefern seit über einem Jahr­zehnt intensive Femto­sekunden-Röntgen­pulse. Eine der viel­ver­sprechendsten Anwendungen von XFELs liegt in der Biologie, wo Forscher Bilder bis hinunter auf die atomare Skala aufnehmen können, noch bevor die Strahlung die Probe zerstört. Auch in der Physik und der Chemie können diese Röntgen­strahlen mit einer Belichtungs­zeit von nur einer Femto­sekunde Licht auf die schnellsten Prozesse in der Natur werfen. Auf diesen winzigen Zeitskalen ist es jedoch extrem schwierig, den Röntgenpuls, der eine Reaktion in der Probe auslöst, und den Laserpuls, der diese beobachtet, zu synchro­ni­sieren. Dieses Problem wird Timing-Jitter genannt und ist eine große Hürde bei den laufenden Bemühungen, zeit­auf­ge­löste Experimente an XFELs mit immer kürzerer Auflösung durch­zu­führen. Jetzt hat ein inter­natio­nales Forschungs­team eine Methode gefunden, dieses Problem bei XFELs zu umgehen, und ihre Wirksam­keit anhand der Messung eines funda­men­talen Zerfalls­prozesses in Neongas nach­ge­wiesen.

Viele biologische und auch manche nicht-biologische System erleiden Schäden, wenn sie durch einen Röntgen­puls aus einem XFEL angeregt werden. Eine der Ursachen für die Schädigung ist der Auger-Zerfall. Der Röntgen­puls katapultiert die Elektronen des Kern­niveaus in der Probe aus ihrer Position, was dazu führt, dass sie durch Elektronen in äußeren Schalen ersetzt werden. Wenn sich diese Außen­elektronen entspannen, setzen sie Energie frei, die die Emission eines weiteren Elektrons, eines Auger-Elektrons, auslösen kann.

Strahlenschäden werden sowohl durch die intensive Röntgen­strahlung als auch durch die fort­ge­setzte Emission von Auger-Elektronen verursacht, die die Probe schnell zersetzen können. Das Timing dieses Zerfalls würde helfen, Strahlungs­schäden bei Experi­menten zur Unter­suchung verschiedener Moleküle zu vermeiden. Darüber hinaus ist der Auger-Zerfall ein Schlüssel­para­meter bei der Unter­suchung hoch ange­regter Materie­zustände, die nur an XFELs unter­sucht werden können.

Um den Auger-Zerfall aufzu­zeichnen entwickelte das Forschungs­team einen bahn­brechenden, hoch­präzisen Ansatz. Die Technik wird selbst­referen­ziertes Atto­sekunden-Streaking genannt und basiert darauf, die Elektronen in Tausenden von Bildern zu kartieren und anhand von globalen Trends in den Daten abzu­leiten, wann sie emittiert wurden.

Für die erste Anwendung dieser Methode unter­suchte das Team Elektronen aus Neongas. Nachdem sie beide Arten von emittierten Elektronen einem externen streifenden Laserpuls ausge­setzt hatten, bestimmten die Forscher ihre end­gültige kinetische Energie in jeder von zehn­tausenden Einzel­messungen.

„Entscheidend ist, dass die Auger-Elektronen bei jeder Messung immer etwas später mit dem streifenden Laserpuls wechsel­wirken als die Photo­elektronen“, sagt Reinhard Kien­berger von der TU München, der das Design des Experi­ments mitent­wickelt hat. „Dieser konstante Faktor bildet die Grundlage der Technik.“ Durch die Kombination so vieler Einzel­beobach­tungen konnte das Team eine detail­lierte Karte des physi­ka­lischen Prozesses erstellen und so die charak­teris­tische Zeit­ver­zögerung zwischen der Photo- und Auger-Emission bestimmen.

Die benötigte hohe Zeitauflösung wird durch die Streaking-Methode ermöglicht. „Diese Technik wird erfolg­reich bei uns im Labor angewandt. In mehreren Vorarbeiten unserer Gruppe haben wir anhand der Streaking-Methode zeit­auf­ge­löste Messungen an Freie-Elektronen-Lasern durch­ge­führt“, sagt Albert Schletter von der TU München. „Mit dieser Methode konnte die Verzögerung zwischen Röntgen-Ionisation und Auger-Emission in Neongas mit höchster Präzision gemessen werden“, ergänzt Dan Haynes vom MPI für Struktur und Dynamik der Materie in Hamburg.

Das Team hofft, dass das selbst­referen­zierte Streaking künftig eine breitere Wirkung auf dem Gebiet der ultra­schnellen Wissen­schaft haben wird. „Das selbst­referen­zierte Streaking könnte sogar eine neue Klasse von Experi­menten ermöglichen, die von der Flexi­bilität und der extremen Intensität von XFELs profi­tieren, ohne Kompro­misse bei der Zeit­auf­lösung einzu­gehen“, fügt Markus Wurzer von der TU München an.

TUM / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  D. C. Haynes et al.: Clocking Auger electrons, Nat. Physics, online 18. Januar 2021; DOI: 10.1038/s41567-020-01111-0
• Laser- und Röntgenphysik (R. Kienberger), Physik-Department, Technischen Universität München
• Attosecond Science, Center for Free-Electron Laser Science, Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie, Hamburg