24.11.2014

Stoppuhr für ultrakurze Röntgenblitze

Charakterisierung extrem kurzer Röntgenpulse erschließt neue Perspektiven des Nanokosmos

Ultrakurze, hochintensive Röntgenblitze, wie sie an Freie-Elektronen-Lasern erzeugt werden, öffnen das Tor zu einer bisher unbekannten Welt. Mit ihrer Hilfe „fotografieren“ Wissenschaftler den Aufbau kleinster Strukturen, wie etwa die Anordnung von Atomen in Molekülen. Um nicht nur die räumliche sondern auch die zeitliche Auflösung weiter zu verbessern, muss die genaue Dauer und Intensität der Röntgenblitze bekannt sein. Dies ist nun einem internationalen Team von Wissenschaftlern gelungen. Die Forscher stellen ihre Ergebnisse im Fachblatt "Nature Photonics" vor.

Der Unterschied zwischen sehr langen (oben) und kurzen (unten) Röntgenpulsen zeigt sich deutlich in den Spektren der Photoelektronen (hier in einer Simulation). Bild: Andreas Maier, CFEL/UHH

Röntgenblitze sind ein einmaliges wissenschaftliches Werkzeug. Um sie zu erzeugen, werden Elektronen zunächst in oft kilometerlangen Vakuumröhren, sogenannten 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 Strukturen von rund einem Zehnmilliardstel eines Meters (0,1 Nanometer). 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: Ein erster Laserblitz löst die Reaktion aus, mit einem zweiten Blitz wird vermessen, wie die Struktur sich 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 US-Beschleunigerzentrum SLAC National Accelerator Laboratory in Kalifornien (USA) unter der Leitung von Professor Reinhard Kienberger, Dr. Wolfram Helml (TUM) und Dr. Andreas Maier (CFEL) statt. Das CFEL ist eine Gemeinschaftseinrichtung des Deutschen Elektronen-Synchrotrons (DESY), der Universität Hamburg und der Max-Planck-Gesellschaft.

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. Die Elektronen werden dabei vom elektrischen Feld des zweiten Lichtpulses abgebremst oder beschleunigt. Die Geschwindigkeitsänderung hängt davon ab, wann das Licht des überlagerten Pulses die Elektronen erfasst und welche elektrische Feldstärke damit zum Zeitpunkt der Erzeugung gerade vorliegt.

Da während der gesamten Dauer des Röntgenpulses Elektronen frei gesetzt werden, „spüren“ Elektronen die zu unterschiedlichen Zeiten erzeugt werden verschiedene Feldstärken des periodisch schwingenden zusätzlichen Lichtfeldes. Dadurch werden sie unterschiedlich beschleunigt. Aus den unterschiedlichen Ankunftszeiten der Elektronen an einem Detektor berechnen die Physiker, wie lange die ursprünglichen Röntgenblitze gewesen sein müssen.

Mit dieser Methode stellten die Forscher fest, dass die Pulse im Schnitt nicht länger sind als 4,5 Femtosekunden – eine Femtosekunde ist ein Millionstel einer milliardstel Sekunde (10^-15 Sekunden). 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.

Den Forschern gelang es erstmals, diese ultrakurzen Spitzen direkt zu messen und Vorhersagen zu bestätigen, dass ein solcher Einzel-Röntgenblitz gerade einmal rund 800 Attosekunden dauert – eine Attosekunde ist ein Milliardstel einer milliardstel Sekunde (10^-18 Sekunden). 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.

Doch nicht nur in der Grundlagenforschung bieten Röntgenblitze vielversprechende Perspektiven, auch die Medizin könnte davon profitieren. „Ultrakurze, laserartige Röntgenpulse dienen nicht nur der Untersuchung der schnellsten physikalischen Vorgänge im Innersten der Materie, sondern könnten aufgrund ihrer extrem hohen Intensität beispielsweise auch — nach der Röntgendiagnose – zur Zerstörung von Tumoren eingesetzt werden“, erläutert Reinhard Kienberger, Professor für Laser- und Röntgenphysik an der TU München und Leiter des Forschungkonsortiums.

Die Arbeit wurde unterstützt mit Mitteln der deutschen Forschungsgemeinschaft (Exzellenzcluster Munich-Centre for Advanced Photonics, MAP), des Bayerisch-Kalifornischen Hochschulzentrums (BaCaTeC), der International Max Planck Research School on Advanced Photon Science (IMPRS), eines Marie Curie International Outgoing Fellowship (IOF), des US Department of Energy, der National Science Foundation (USA), der Science Foundation Ireland (SFI) und des European Research Council (ERC Starting Grant).

Originalveröffentlichung:
"Measuring the temporal structure of few-femtosecond FEL X-ray pulses directly in the time domain"; W. Helml, A. R. Maier, W. Schweinberger, I. Grguraš, P. Radcliffe, G. Doumy, C. Roedig, J. Gagnon, M. Messerschmidt, S. Schorb, C. Bostedt, F. Grüner, L. F. DiMauro, D. Cubaynes, J. D. Bozek, Th. Tschentscher, J. T. Costello, M. Meyer, R. Coffee, S. Düsterer, A. L. Cavalieri & R. Kienberger; "Nature Photonics", 2014; DOI: 10.1038/NPHOTON.2014.278