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Ultra-short X-ray Pulses Explore the Nano World: Characterization of X-ray flashes open new perspectives in X-ray science

Ultra-short and extremely strong X-ray flashes, as produced by free-electron lasers, are opening the door to a hitherto unknown world. Scientists are using these flashes to take “snapshots” of the geometry of tiniest structures, for example the arrangement of atoms in molecules. To improve not only spatial but also temporal resolution further requires knowledge about the precise duration and intensity of the X-ray flashes. An international team of scientists has now tackled this challenge.

FEL-PulsWie kurz der Röntgenblitz (blau dargestellt, von links ins Bild kommend) ist, bestimmen 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. Sie werden vom elektrischen Feld des Laserpulses je nach dem Zeitpunkt ihrer Emission beschleunigt oder abgebremst. Von einem Detektor (rechts oben) werden die Energien dieser Elektronen (grün dargestellt) gemessen und daraus Rückschlüsse auf die Dauer des ursprünglichen Röntgenblitzes gezogen. (Grafik: Christian Hackenberger / MPQ)

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.

Undulatorhalle der Linac Coherent Light Source des SLAC National Accelerator LaboratoryUndulatorhalle der Linac Coherent Light Source des SLAC National Accelerator Laboratory. Mit einer Abfolge starker Magnete in den Undulatoren zwingt man zuvor auf sehr hohe Geschwindigkeiten beschleunigte Elektronen auf sinusförmige Bahnen. Dabei geben sie Röntgenstrahlung ab. (Bild: SLAC National Accelerator Laboratory)

Mehr sehen durch "Verschmieren"

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 – sie werden energetisch "verschmiert". Aus den unterschiedlichen Ankunftszeiten der Elektronen an einem Detektor berechnen die Physiker, wie lange die ursprünglichen Röntgenblitze gewesen sein müssen.

Attosekunden-Röntgenpulse

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.

Neue Anwendungen

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.

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). Das CFEL ist eine Gemeinschaftseinrichtung des Deutschen Elektronen-Synchrotrons (DESY), der Universität Hamburg und der Max-Planck-Gesellschaft. CALA ist eine gemeinsame Einrichtung der TU München und der Ludwig-Maximilians-Universität München.

Publikation

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: Measuring the temporal structure of few-femtosecond FEL X-ray pulses directly in the time domain Nature Photonics online, 24. November 2014, DOI:10.1038/NPHOTON.2014.278

Kontakt

Prof. Dr. Reinhard Kienberger
Technische Universität München
Lehrstuhl für Laser- und Röntgenphysik

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