Ultrakurz gestoppt

Ein internationales Forscherteam hat erstmals die Dauer der derzeit kürzesten Röntgenpulse gemessen.

24. November 2014

Ultrakurze, hochintensive Röntgenblitze, wie sie an Freie-Elektronen-Lasern erzeugt werden, öffnen uns 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 mit Röntgenblitzen auf Entdeckungstour im Nanokosmos zu gehen, muss man wissen wie die zeitliche Struktur und die Pulsdauer dieser elektromagnetischen Strahlung beschaffen sind. Nur dann erhält man verlässliche Ergebnisse.

Einem internationalen Team unter Führung von Wissenschaftlern der Technischen Universität München (TUM), und unter Beteiligung von Forschern des Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching (MPQ) sowie des Deutschen Elektronen Synchrotrons DESY in Hamburg ist es nun erstmals an der Linac Coherent Light Source (LCLS) in Kalifornien, USA, gelungen, die Dauer und Pulsform der kürzesten Röntgenblitze zu bestimmen (Nature Photonics, DOI: 10.1038/NPHOTON.2014.278, 24. November 2014).

Röntgenblitze sind ein einmaliges wissenschaftliches Werkzeug. Um sie zu erzeugen, werden Elektronen zunächst in oft kilometerlangen Vakuumröhren, sogenannten Linearbeschleunigern, durch Anlegen von elektrischer Wechselspannung 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 Röntgenblitzen erkennen Forscher Strukturen von rund einem zehn Milliardstel 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.

Wie kurz der Röntgenblitz (blau dargestellt, von links ins Bild kommend) ist, erkunden die Forscher über einen  Laserpuls (roter Wellenzug), der ebenfalls von links kommend auf das Zentrum der Messanordnung trifft.

Dort schlägt der Röntgenblitz Elektronen aus Gasatomen heraus, die vom  elektrischen Feld des Laserpulses je nach dem Zeitpunkt ihrer Emission beschleunigt oder abgebremst werden. Von einem Detektor (rechts oben) werden die Energien dieser Elektronen (grün dargestellt) gemessen und daraus Rückschlüsse auf die Dauer des ursprünglichen Röntgenblitzes gezogen.

Wie ein solcher ultrakurzer Röntgenblitz in seiner zeitlichen Struktur aussieht, haben Forscher der Technischen Universität München, dem Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching und dem Deutschen Elektronen Synchrotron (DESY) in Hamburg erstmals gemessen. Die Experimente fanden am Stanford Linear Accelerator Laboratory (SLAC) in Kalifornien (USA) unter der Leitung von Prof. Reinhard Kienberger und Dr. Wolfram Helml (TUM) statt.

Die Dauer der Röntgenblitze bestimmten die Physiker mit einem extra für die Messung ultrakurzer Lichtblitze entwickelten Schmierbildverfahren. Die Forscher schickten die Röntgenblitze in eine mit Edelgasatomen gefüllte Vakuumkammer. Die Röntgenblitze überlagerten die Physiker jeweils mit einem zweiten Lichtpuls, mit einer Wellenlänge von 2,4 Mikrometer. Wenn diese Röntgenblitze auf die Gasatome treffen, schlagen sie Elektronen aus deren Kern-nächster Schale heraus und setzen diese im Vakuum frei. Die Elektronenbündel 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 damit welche elektrische Feldstärke zum Zeitpunkt der Erzeugung gerade vorliegt. Da die Elektronen während der ganzen Zeit, die der Röntgenpuls andauert, freigesetzt werden, „spüren“ Elektronen die zu unterschiedlichen Zeiten erzeugt werden verschiedene Feldstärken des periodisch schwingenden zusätzlichen Lichtfeldes. Dadurch werden sie unterschiedlich beschleunigt, d.h. energetisch „verschmiert“. Schließlich werden die Elektronen von einem Detektor eingefangen, der die Ankunftszeiten der Elektronen misst. Daraus berechnen die Physiker, wie lange die ursprünglichen Röntgenblitze gewesen sein müssen, die die Elektronen im Edelgas freigesetzt hatten.

Die Forscher bestimmten die durchschnittliche Pulslängenobergrenze der Röntgen-Lichtblitze mit rund 4.4 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 Röntgenpulse 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 — ein Milliardstel einer Milliardstel-Sekunde (10-18 Sekunden).

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 u.a. daran, mithilfe von Hochenergie-Lasern ultrakurze Röntgenpulse im Attosekundenbereich zu produzieren. Diese wären dann noch kürzer als die bisherigen Röntgenblitze. Mit ihnen könnte man noch schnellere Prozesse in der Natur, wie etwa die Bewegung von Elektronen um Atomkerne „fotografieren“. 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 unheimlich 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 Forschungskonsortiums. Thorsten Naeser

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