Nanoskala unter Gigadruck

Manchmal kann ein Perspektivwechsel einen großen Unterschied machen. Ein Team von Wissenschaftler:innen von DESYs Synchrotronstrahlungsquelle PETRA III, dem Zentrum für Röntgen- und Nanowissenschaften (CXNS) bei DESY und der schwedischen Lichtquelle MAX IV hat die Methode, mit der man einen Röntgenstrahl zur Abbildung einer Probe ohne Verwendung hochwertiger Linsen einsetzen kann, völlig neu gestaltet. Die als Ptychographie bezeichnete Methode wird häufig in Synchrotrons und Freie-Elektronen-Lasern eingesetzt, um die inneren Strukturen von Materialien so schnell wie möglich zu analysieren und dabei größere Schäden an der Probe durch die Röntgenstrahlen zu vermeiden. Das Team hat die Standardmethode der Ptychographie auf den Kopf gestellt: Anstatt die Probe um den Röntgenstrahl herum zu bewegen, hat es einen Weg gefunden, den Röntgenstrahl selbst so zu bewegen, dass die Eigenschaften der Röntgenstrahlen nicht verändert werden und dennoch der Effekt der ptychographischen Analyse erzielt wird. Darüber hinaus haben sie die Methode an einer Probe getestet, die an sich schwer zu bewegen ist – kurzlebige Zustände von Materie unter extremen Druck- und Temperaturbedingungen. Das Team hat seine Ergebnisse in den Proceedings of the U.S. National Academy of Sciences (PNAS) veröffentlicht.

Die Röntgenptychographie hat sich in den letzten Jahren zu einer Standardtechnik im Instrumentenkoffer von Forschenden entwickelt, die mit Röntgenlichtquellen arbeiten. In einer Vielzahl von Bereichen, darunter Biologie und Geologie, ist diese Technik unverzichtbar geworden, um das Innere von Proben bis hin zu atomaren Details zerstörungsfrei abzubilden und damit Details in einer Größenordnung sichtbar zu machen, die mit Licht- und Elektronenmikroskopie nicht erreichbar sind. Bislang wurde die Ptychographie mit Hilfe extrem präziser Probenbewegungsvorrichtungen durchgeführt, die die Position der Probe relativ zum Röntgenstrahl um winzige Längen – manchmal im Nanometerbereich – veränderten und so ein Rastermuster aus sequenziell abgebildeten Punkten erzeugten, aus denen schließlich das vollständige Bild entstand. Diese als hochauflösende Phasenkontrastbildgebung bezeichnete Methode ermöglicht Einblicke in die nanoskaligen Strukturen winziger biologischer Strukturen, Mineralablagerungen, Computerchips und vielem mehr. 

Allerdings war es bei bestimmten Arten von Proben schwierig, eine Ptychographie durchzuführen. Beispielsweise lassen sich Proben, die unter hohem Druck stehen, nicht ohne Weiteres bewegen, was zum Teil daran liegt, dass die Geräte, mit denen dieser Druck erzeugt wird, zu schwer sind, um sie präzise zu bewegen, und zu sperrig, sodass ein sehr großer Abstand zwischen Optik und Probe erforderlich ist. Das an dieser Forschung beteiligte Team hat eine alternative Methode der Ptychographie ausprobiert, um dieses Problem zu lösen.

Bei einer Technik, die an der Beamline P06 von PETRA III entwickelt und eingesetzt wurde, verwendete das Team einen hochpräzisen, schnell oszillierenden Spiegel, um den Röntgenstrahl über die Probe zu bewegen, und entwickelte einen neuen Ansatz zur Dateninterpretation. Der Spiegel ist präzise genug, um die Bewegungen eines beweglichen Probenrahmens oder -tisches nachzubilden, sodass der Strahl die Probe abtasten und ähnliche Ergebnisse erzielen kann.

Das Team hat dies bei Extremdruckstudien mit einem gängigen Gerät zur Erzeugung extremer Drücke ausprobiert: einer Diamant-Ambosszelle, in der ein Material zwischen zwei Diamanten stark komprimiert wird. Als erste Anwendung wurde eine von festem Sauerstoff umgebene Eisenprobe komprimiert, mit einem Laserstrahl bestrahlt und eine Ptychographie der durch die Laserhitze unter hohem Druck entstandenen Ausbuchtung aus geschmolzenem Metall durchgeführt, um die Oxidation des Metalls bei hohen Temperaturen im Nanobereich als Proof-of-Concept zu analysieren.

„Der Kontext dieser Forschung befasst sich damit, Bildgebung in extremen Umgebungen von unmöglich zu möglich zu machen“, sagt Tang Li, DESY-Forscherin und Erstautorin der Veröffentlichung. „Indem wir den Röntgenstrahl anstelle der Probe bewegen, konnten wir die Eisenoxidation unter 50 Gigapascal mit Nanometerauflösung sichtbar machen. Damit erweitern wir den Anwendungsbereich der Röntgen-Nanobildgebung auf extreme Umgebungen und eröffnen die Möglichkeit für In-operando-Untersuchungen in sperrigen Probenumgebungen.“

Diese Anpassung der Ptychographie eröffnet viele weitere Möglichkeiten für Studien, die an der zukünftigen Röntgenlichtquelle PETRA IV von DESY durchgeführt werden sollen. In Kombination mit der verbesserten spektralen Helligkeit eines Synchrotrons der vierten Generation wie PETRA IV ermöglicht die der Ptychographie die Untersuchung von Materialien, die eine kurze Lebensdauer haben, außergewöhnlich bewegungsempfindlich sind oder zu schwer oder reaktiv sind, um bewegt zu werden – und liefert so nanoskalige Untersuchungen von Materialien in extremen Zuständen.

Das Forschungsteam bestand aus Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern von PETRA III, CXNS am DESY und der Universität Bayreuth in Deutschland sowie dem MAX IV Synchrotron in Lund, Schweden.