Chemische Reaktionen im Licht ultrakurzer Röntgenpulse aus Freie-Elektronen-Lasern

Neues aus der Forschung

28.06.2018

Chemische Reaktionen im Licht ultrakurzer Röntgenpulse aus Freie-Elektronen-Lasern

Ultrakurze, hochintensive Röntgenblitze öffnen das Tor zu den Grundlagen chemischer Reaktionen. Freie-Elektronen-Laser erzeugen solche Pulse, doch es gibt ein Problem: Die Pulse variieren in Länge und Energie. Ein internationales Forschungsteam präsentiert nun eine Lösung: Ein Ring aus 16 Detektoren und ein zirkular polarisierter Laserstrahl ermöglichen es, beide Faktoren mit Attosekunden-Genauigkeit zu bestimmen.


180702-2121_medium.jpg
 
Ultrakurze Röntgenpulse (rosa) ionisieren Neongas im Zentrum des Rings. Ein Infrarotlaser (orange) lenkt die Elektronen (blau) auf ihrem Weg zu den Detektoren ab.
N. Hartmann, G. Hartmann, R. Heider, M. S. Wagner, M. Ilchen, J. Buck, A. O. Lindahl, C. Benko, J. Grünert, J. Krzywinski, J. Liu, A. A. Lutman, A. Marinelli, T. Maxwell, A. A. Miahnahri, S. P. Moeller, M. Planas, J. Robinson, A. K. Kazansky, N. M. Kabachnik, J. Viefhaus, T. Feurer, R. Kienberger, R. N. Coffee and W. Helml
Attosecond time–energy structure of X-ray free electron laser pulses
Nature Photonics volume 12, pages 215–220 (2018)
DOI: 10.1038/s41566-018-0107-6

Freie-Elektronen-Laser (FEL) erzeugen extrem kurze und intensive Röntgenblitze. Mit diesen können Forscher Strukturen vom Durchmesser eines Wasserstoffatoms erkennen. Biomoleküle lassen sich so in höchster Auflösung abbilden und völlig neue Einblicke in den Nanokosmos der Natur gewinnen.

Schießt man zwei solcher Blitze schnell hintereinander auf eine Probe, so erhält man sogar Informationen über die strukturellen Veränderungen während einer Reaktion: Ein erster Puls löst die Reaktion aus, mit einem zweiten Laserstrahl wird vermessen, wie die Struktur sich durch die Reaktion verändert. Doch die Technologie hat einen Haken: Der zeitliche Verlauf der Intensität und die Länge der Röntgenblitze variieren von Blitz zu Blitz. Das Bild bleibt unscharf.


 
Illustration der ringförmig wie auf dem Zifferblatt einer Uhr angeordneten 16 Detektoren.

Ein von Physikern der Technischen Universität München (TUM) angeführtes internationales Team hat nun eine Lösung gefunden: Mit einem zirkular polarisierten Infrarotlaser und einem Ring aus 16 Detektoren können sie den zeitlichen Verlauf und die Energie jedes Pulses präzise messen. Damit werden die Ergebnisse der einzelnen Pulse vergleichbar.

Eine Stoppuhr mit Attosekunden-Genauigkeit

„Eine Attosekunde ist der Milliardste Teil einer Milliardstel Sekunde, oder anders ausgedrückt: Eine Attosekunde verhält sich zu einer Sekunde in etwa wie eine Sekunde zum gesamten Alter des Universums“, sagt Reinhard Kienberger, Professor für Laser- und Röntgenphysik an der TU München. „Doch die energetischen Änderungen in einem Molekül während einer Reaktion sind so unglaublich fein und schnell, dass wir nur mit solch extrem kurzen Pulsen etwas sehen.“

In seinem Experiment benutzte das Forschungsteam Röntgenblitze der Linac Coherent Light Source in Menlo Park (USA). In der Probenkammer schlagen sie aus Neon-Atomen Elektronen heraus. Treffen diese nun auf einen Infrarot-Lichtimpuls, so werden sie von dessen elektrischem Feld beschleunigt oder abgebremst, je nach dem welche Feldstärke der Lichtpuls gerade hat, wenn das Elektron erzeugt wird.



Die zirkulare Polarisierung des Infrarotpulses gibt dem Elektron nun zusätzlich noch eine Richtung. Mit einem Ring aus 16 Detektoren sind daher Energie und Dauer des ursprünglichen Röntgenpulses wie auf dem Zifferblatt einer Uhr mit Attosekundengenauigkeit bestimmbar.

Die Information sowohl über die Energieverteilung als auch über die zeitliche Pulsstruktur soll es künftig erlauben, ganz spezifisch einzelne Reaktionsstellen in komplizierteren Molekülen anzusprechen und deren Einfluss auf den Verlauf der Veränderungen während der Reaktion in Echtzeit zu verfolgen.

Weiterentwicklung von Freie-Elektronen-Lasern

„Diese Technik kann nun auch dazu verwendet werden, die Entwicklung der FELs selbst voranzutreiben“, sagt Wolfram Helml, Leiter des Forschungsteams. „Wir erhalten eine sofortige Rückmeldung über die Pulsstruktur während der FEL durchgestimmt wird. So können wir gezielt Röntgenblitze mit ganz bestimmter Dauer oder energetischen Eigenschaften erzeugen.“

Von besonderem Interesse ist die neue Technik auch für Forschungsarbeiten am neuen European X-ray Free-Electron Laser (Eu-XFEL) in Hamburg, da sie im Unterschied zu anderen Techniken, auch für Messungen mit der hohen Wiederholrate genutzt werden kann, die diese hochmoderne Anlage zur Verfügung stellt.

Auch im Rahmen des gerade im Aufbau befindlichen Centre for Advanced Laser Applications (CALA) in Garching bei München, wo mithilfe laserbasierter Röntgentechnik Methoden zur Früherkennung und Therapie chronischer Krankheiten entwickelt werden sollen, könnte diese Technologie eingesetzt werden.


Diese Newsmeldung wurde erstellt mit Materialien von idw


16.07.2018

Forscher finden vollkommen neues Konzept zur Messung von Quantenverschränkung

Quantenphysiker/innen der ÖAW entwickelten eine neuartige Methode für den Nachweis von hochdimensional versc ...

16.07.2018

Was passiert, wenn wir das Atomgitter eines Magneten plötzlich aufheizen

„Wir haben jetzt ein klares Bild davon, wie das heiße Atomgitter und die kalten magnetischen Spins eines fe ...

12.07.2018

Erste Beweise für Quelle extragalaktischer Teilchen

Zum ersten Mal ist es gelungen, die kosmische Herkunft höchstenergetischer Neutrinos zu bestimmen. Eine Forsc ...

12.07.2018

Durchbruch bei der Fahndung nach Teilchenbeschleunigern im Weltall

Mit einer international angelegten astronomischen Ringfahndung haben Forscher erstmals eine Quelle hochenerget ...

12.07.2018

MAGIC-Teleskope finden Entstehungsort von seltenem kosmischen Neutrino

Astrophysikern ist es erstmals gelungen, die Quelle eines hochenergetischen kosmischen Neutrinos zu orten. Mit ...

12.07.2018

Magnetische Wirbel: Erstmals zwei magnetische Skyrmionenphasen in einem Material entdeckt

Erstmals entdeckte ein Forscherteam in einem Material zwei unabhängige Phasen mit magnetischen Wirbeln, sogen ...

10.07.2018

Der perfekte Terahertz-Strahl – mit dem 3D-Drucker

An der TU Wien ist es gelungen, Terahertz-Strahlen nach Belieben zu formen. Dazu braucht man nur eine simple K ...

09.07.2018

Wie sich einzelne Atome mit Elektronenstrahl steuern lassen

Forscher kontrollieren Siliziumbewegung in Graphen

06.07.2018

Bindungsbruch: Mitmachen oder nicht

Ob und wie sich chemische Reaktionen durch gezielte Schwingungsanregung der Ausgangsstoffe beeinflussen lassen ...

06.07.2018

Teilchenphysiker der TU Dresden an Entdeckung neuer Quarks-Wechselwirkungen beteiligt

Teilchenphysiker der TU Dresden und internationale Forschungskollegen haben eine äußerst seltene Wechselwirk ...

06.07.2018

Polarlicht-Schweif des Jupitermondes Io: Raumsonde Juno entdeckt neue Details

Magneto-hydrodynamische Wellen zeigen komplexes Reflexionsverhalten / Die Ergebnisse sind wichtig für die For ...

05.07.2018

Neuer Weltrekord bei der direkten solaren Wasserspaltung

In einem nachhaltigen Energiesystem wird Wasserstoff als Speichermedium eine wichtige Rolle spielen. Einem int ...

04.07.2018

IPP-Teststand ELISE erreicht erstes ITER-Ziel

Neutralteilchenheizung für ITER / Strahl schneller Wasserstoff-Teilchen für die Plasmaheizung.

04.07.2018

Elektronenspektrometer entschlüsselt quantenmechanische Effekte

Elektronische Schaltkreise sind derart miniaturisiert, dass sich quantenmechanische Effekte bemerkbar machen. ...

03.07.2018

Wie man Schallwellen durchs Labyrinth lenkt

Eine Wellen-Manipulationstechnik der TU Wien wurde nun erstmal im Experiment getestet: Schallwellen lassen sic ...

02.07.2018

Wie sich die Atmosphäre des heißesten bekannten Exoplaneten verflüchtigt

Astronomen haben beobachtet, wie sich die Atmosphäre des heißesten bekannten Exoplaneten, des heißen Jupite ...

02.07.2018

Saubere Abgase dank Schwamm-Struktur

Forschende des Paul Scherrer Instituts PSI in Villigen haben einen neuen Katalysator für die Reinigung von Ab ...



11.05.2018:
Vorsicht, Glatteis!





Das könnte Dich auch interessieren


Newsletter

(Neues aus der Forschung)