Ultrakurze Röntgenblicke in die Nanowelt

Röntgenblitze sind ein einmaliges wissenschaftliches Werkzeug. Um sie zu erzeugen, werden Elektronen zunächst in Linearbeschleunigern auf sehr hohe Energien gebracht und anschließend durch spezielle Magnetanordnungen gelenkt. Dabei senden die Teilchen Röntgenlicht aus, das sich verstärkt, bis ein ultrakurzer und intensiver Röntgenblitz entsteht. Mit diesen Röntgenblitzen erkennen Forscher noch Strukturen von 0,1 Nanometern. Das ist ungefähr so groß wie der Durchmesser eines Wasserstoffatoms. So lassen sich etwa Biomoleküle in höchster Auflösung abbilden und völlig neue Einblicke in den Nanokosmos der Natur gewinnen.

Mit zwei schnell aufeinander folgenden Blitzen lassen sich sogar Informationen über die strukturellen Veränderungen während einer Reaktion erhalten: Der erste Laserblitz löst die Reaktion aus, mit einem zweiten beobachten die Forscher, wie sich die Struktur durch die Reaktion verändert. Dazu müssen die genaue Dauer und der zeitliche Verlauf der Intensität des Röntgenblitzes bekannt sein. Bisher jedoch gab es keine Möglichkeit, ultrakurze Pulse genau zu vermessen. Forscher der Technischen Universität München (TUM), des Hamburger Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) und des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik (MPQ) in Garching haben gemeinsam mit weiteren Kollegen nun eine solche Methode entwickelt. Die Experimente dazu fanden am SLAC National Accelerator Laboratory in Kalifornien statt.

Die Dauer der Röntgenblitze bestimmten die Wissenschaftler, indem sie ein ursprünglich für die Messung ultrakurzer Lichtblitze entwickeltes Verfahren modifizierten. Die Physiker schickten die Röntgenblitze in eine mit wenigen Edelgasatomen gefüllte Vakuumkammer. Dort überlagerten sie sie mit einem Infrarot-Lichtpuls von 2,4 Mikrometern Wellenlänge. Treffen nun die Röntgenblitze auf Gasatome, schlagen sie Elektronen aus deren kernnächster Schale heraus und setzen diese frei. Das elektrische Feld des zweiten Lichtpulses bremst oder beschleunigt die Elektronen. Die Geschwindigkeitsänderung hängt davon ab, wann das Licht des überlagerten Pulses die Elektronen erfasst und welche elektrische Feldstärke damit zum Zeitpunkt der Erzeugung vorliegt.

Da während der gesamten Dauer des Röntgenpulses Elektronen frei gesetzt werden, spüren Elektronen verschiedene Feldstärken des periodisch schwingenden zusätzlichen Lichtfeldes, ihre Beschleunigung ist also auch unterschiedlich. Aus den unterschiedlichen Ankunftszeiten der Elektronen an einem Detektor berechnen die Physiker, wie lange die ursprünglichen Röntgenblitze gewesen sein müssen. Die Pulse sind, so zeigte sich, im Schnitt nicht länger sind 4,5 Femtosekunden.

Zudem gewannen die Forscher Erkenntnisse über die Struktur der Röntgenblitze. Charakteristisch für die hochintensiven Röntgenblitze in Freie-Elektronen-Lasern ist ihre zufällig wechselnde Pulsform. Ein typischer Röntgenpuls besteht dabei aus mehreren zusammenhängenden noch kürzeren Röntgenspitzen, deren genaue Anzahl und Intensität von Schuss zu Schuss variieren. Dem Team gelang es erstmals, diese ultrakurzen Spitzen direkt zu messen und Vorhersagen zu bestätigen, dass ein solcher Einzel-Röntgenblitz gerade einmal rund 800 Attosekunden dauert. Die neue Methode erlaubt eine detaillierte direkte Vermessung der Röntgenblitze und ergänzt damit Methoden, die Pulsform und -länge indirekt aus der Struktur der Elektronenpakete bestimmen, von denen die einzelnen Blitze erzeugt werden.

Die weiterentwickelte Röntgenblitz-Messtechnik könnte auch im neuen Laserforschungszentrum Centre for Advanced Laser Applications (CALA) auf dem Campus Garching zum Einsatz kommen. Hier arbeiten Wissenschaftler unter anderem daran, mithilfe von Hochenergie-Lasern noch kürzere Röntgenpulse zu produzieren. Mit Pulsen von nur wenigen Attosekunden Länge könnte man noch schnellere Prozesse in der Natur fotografieren, wie etwa die Bewegung von Elektronen um Atomkerne.

TUM / RK