Explodierende Nanoteilchen

Mithilfe kohärenter Röntgenblitze lassen sich explodierende Nanoteilchen mit einer zeitlichen Auflösung im Femtosekunden-Bereich beobachten.


Livermore (USA)/Hamburg – Extrem kurze Lichtpulse eröffnen einen detaillierten Blick auf chemische Reaktionen. Gelingt es mit Laserblitzen im Femto- und Attosekundenbereich, die Geschwindigkeiten solcher Vorgänge zu messen, können kohärente Röntgenblitze sogar diese Prozesse zusätzlich im Bild festhalten. Nach erfolgreichen Experimenten am Freie-Elektronen-Laser (FEL) in Hamburg präsentiert ein internationales Forscherteam ihren Schritt zur Femtosekunden-Röntgenholographie in der Zeitschrift „Nature“.

„Unsere Ergebnisse unterstützen die Annahme, dass Röntgenblitze für hochaufgelöste Aufnahmen von biologischen Proben genutzt werden können“, schreiben Henry N. Chapman und seine Kollegen vom Lawrance Livermore National Laboratory. Zusammen mit schwedischen und deutschen Physikern schossen sie mit dem FLASH-Röntgenlaser am Deutschen Elektronen Synchrotron in Hamburg 25 Femtosekunden kurze Blitze (32,5 Nanometer Wellenlänge) auf 140 Nanometer kleine Kugeln aus Polystyrol. Durch eine geschickte Anordnung eines reflektierenden, vielschichtigen Spiegels hinter der Probe erhielten sie zwei Interferenzmuster, die die Grundlage für die holographische Aufnahme bilden.

Der Röntgenblitz trifft dazu auf die Polystyrol-Kugel und wird von dieser gestreut. Zugleich führt dieser Beschuss zur Explosion der Kugel. Danach trifft der Röntgenstrahl nahezu senkrecht auf den Spiegel, wird reflektiert und trifft abermals auf die explodierende Nanokugel. Die Verzögerung dazwischen lässt sich über den Abstand der Probe zum Spiegel kontrollieren und liegt bei den Experimenten zwischen 348 und 733 Femtosekunden. Beide Streumuster – eins von der unzerstörten Kugel, das zweite von der gerade explodierenden – treffen zusammen auf einem CCD-Detektor und bilden dort ein Interferenzmuster, das einem Röntgen-Hologramm entspricht. Aus diesem lässt sich sowohl der Explosionsvorgang selbst als auch die veränderte Struktur der Nanokugel analysieren.

Abb.: Bei der Messung entsteht ein Röntgen-Hologramm, aus dem sich sowohl der Explosionsvorgang selbst als auch die veränderte Struktur der Nanokugel analysieren lässt. (Quelle: Henry Chapman)

Nach der Auswertung ihrer Daten bestimmten die Forscher die Ausdehnung der Nanokugel nach dem Röntgenbeschuss mit maximal sechs Nanometern. Die zeitliche Auflösung bei diesem beobachteten Prozess liegt entsprechend dem Abstand zwischen Probe und Spiegel bei bis zu 350 Femtosekunden. Doch hat diese Methode das Potenzial, noch viel genauere Aufnahmen zu liefern. „Wenn die Röntgenwellenlängen bis auf ein Zehntel Nanometer zurückgehen, könnte die Größe der abgebildeten Objekte bis auf die atomare Skala schrumpfen“, schreibt Andrea Cavalleri von der University of Oxford in einem begleitenden Kommentar. Nicht nur bei anorganischen Proben wie in diesem ersten Versuch, sondern auch bei Biomolekülen könnte die Röntgenholographie zu neuen und wichtigen Erkenntnisse führen. Derzeit liefert der Hamburger Röntgenlaser bereits Wellenlängen von sechs Nanometern und darunter. Bis 2013 könnte die nächste Ausbaustufe des XFEL sogar das Ziel von 0,1 Nanometer Wellenlänge erreichen.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Henry N. Chapman et al., Femtosecond time-delay X-ray holography, Nature 448, 676 (2007).
  http://dx.doi.org/10.1038/nature06049
• Kommentar:
  A. Cavalleri, Double Vision, Nature 448, 651 (2007).
  http://dx.doi.org/10.1038/448651a
• FLASH, DESY, Hamburg:
  http://zms.desy.de/presse/hintergrundinformationen/forschung_mit_photonen/flash/index_ger.html
• Lawrence Livermore National Laboratory:
  http://www.llnl.gov
• Universität Uppsala, Lab. Of Molecular Biophysics:
  http://xray.bmc.uu.se/molbiophys/
• TU Berlin, Institut für Optik und Atomare Physik:
  http://iapf.physik.tu-berlin.de