Röntgenlaser im Labor erzeugen das Licht der Zukunft

Die Halle, 14 m tief unter einem dreigeschossigen Bürogebäude gelegen, könnte Kulisse für den Showdown am Ende eines James-Bond-Films sein. Auf einer Gesamtfläche von 4500 m² – etwa die Größe eines Hockeyfeldes – finden sich ein komplexes System von Apparaturen aus Edelstahl und ein kompliziertes Geflecht aus Kabeln und Rohren.

Die meisten Geräte sind zu sieben unterschiedlich großen Kabinen gruppiert. „Wir nennen sie Experimentierhütten“, sagt Ulf Zastrau. Der 44-Jährige ist Experimental­physiker und verantwortet das Geschehen in der größten Hütte. Im Kern besteht sie aus einem hermetisch abschließbaren Technik­bereich, daneben befindet sich ein kleiner „Leitstand“ voller Monitore.

Mithilfe von Röntgenlasern Materie in extremen Zuständen beobachten

Leuchtschilder warnen: „Laser an – Sperrbereich – Zutritt verboten – Strahlung.“ Die Hütte ist mit den Buchstaben HED für „High Energy Density Science“ gekennzeichnet. Die Bedeutung wird klar, als sich eine Gruppe von Schülerinnen und Schülern nähert. „Hier können Forschende mithilfe von Röntgenlasern Materie in extremen Zuständen beobachten“, erläutert die Physikerin Sarah Aretz, die die Gruppe begleitet.

Eine internationale Gruppe von Wissenschaftlern hat hier vor Kurzem zum ersten Mal die Struktur von flüssigem Kohlenstoff vermessen, der nur unter sehr großem Druck und Temperaturen von rund 4500 °C entstehen kann. Ort des Geschehens ist das Forschungszentrum European XFEL (EuXFEL) in Schenefeld am westlichen Stadtrand von Hamburg. Wissenschaftler aus aller Welt beleuchten hier mithilfe des weltweit größten Röntgenlasers den Nanokosmos von Molekülen und Atomen.

Bis zu 27.000 Laserlichtblitze pro Sekunde am XFEL

XFEL steht für X-Ray Free-Electron Laser. Poetischer klingt die deutsche Bezeichnung aus der Kommunikationsabteilung: „Licht der Zukunft“. Mit bis zu 27.000 Laserlichtblitzen pro Sekunde im Wellenlängenbereich von 0,05 nm bis 4,7 nm beleuchtet es ein Themenspektrum, das vom Verständnis für die Funktionsweise von Viren über das Basiswissen zur Kernfusion bis zu den großen Rätseln um die Entstehung von Planeten reicht.

„Die Wellenlängen sind so klein, dass wir selbst atomare Details erkennbar machen können“, sagt Zastrau. Mit einer Dauer von weniger als 100 Femtosekunden ermöglichen die Blitze einen superschnellen Zeitraffer: „Das erlaubt es uns sogar, das Entstehen von Molekülen zu filmen.“ Um das scheinbar Unsichtbare sichtbar zu machen, haben zwölf europäische Länder rund 1,2 Mrd. € in das Forschungs­zentrum investiert, das 2017 in Betrieb genommen wurde.

In der Kurzbeschreibung klingt das plausibel und verständlich. Bei näherem Hinsehen weicht das Verständnis aber großen Fragezeichen. Denn abgesehen von den aufwendigen Apparaturen bleibt das Geschehen in der Anlage dem Auge verborgen.

Freie Elektronen kommen vom Deutschen Elektronen-Synchrotron (Desy)

Dass freie, also nicht an Atome gebundene Elektronen vom Teilchenbeschleuniger auf dem Campus des Deutschen Elektronen-Synchrotrons (Desy) in Hamburg-Bahrenfeld durch einen 3,4 km langen Tunnel zum EuXFEL-Gelände im benachbarten Schenefeld geschickt werden – unvorstellbar.

Dass die Elektronen auf dem ersten 1,7 km langen Tunnelteilstück ihrer „Flugbahn“ exakt gerade ausgerichtet, in 786 speziell geformten Hohlraumresonatoren paketweise mithilfe von intensiven elektromagnetischen Feldern im Mikrowellenbereich auf eine kinetische Energie von bis zu 17,5 GeV (Gigaelektronenvolt) gebracht und fast auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden – der Laie nimmt es ehrfurchtsvoll staunend zur Kenntnis.

Aber verstehen? Nun ja. Immerhin klingt es nachvollziehbar, dass das Resonatorenmaterial Niob auf -271 °C gekühlt seinen elektrischen Widerstand verliert, sodass Strom verlustfrei fließt und praktisch die gesamte elektrische Leistung auf die Elektronen übertragen werden kann.

Wie das Licht der Zukunft entsteht

Ab dann wird es für Laien endgültig theoretisch: Auf der restlichen Tunnelstrecke durchläuft der hochpräzise Elektronenstrahl Undulatoren, in denen Permanentmagnete die Elektronen auf Slalomkurs bringen. In jeder „Kurve“ sendet das einzelne Elektron Röntgenlicht aus, das sich schneller bewegt als das Teilchen selbst und mit jeder Kursänderung stärker wird. Self-Amplified Spontaneous Emission (Sase) heißt das Prinzip, die Undulatoren Sase 1 und Sase 2 sind jeweils 212 m lang und erzeugen hartes Röntgenlicht mit so kleinen Wellenlängen, dass sie für eine atomare Auflösung verwendet werden können. Sase 3 ist etwas kürzer und liefert „weiche“ Röntgenstrahlen für Anwendungen mit einer etwas geringeren Auf­lösung.

Aus der Wechselwirkung zwischen Licht und Elektronen ordnen sich die Teilchen zu einer regelmäßigen Kette von Scheiben an: „Sämtliche Elektronen in einer Scheibe strahlen jetzt im Gleichtakt; dadurch entstehen extrem kurze und intensive Röntgenblitze mit den Eigenschaften von Laserlicht“, erläutert Ulf Zastrau. Haben sie dieses Stadium erreicht, werden die Blitze am Ende des Tunnels unter anderem über ein System von hochpräzisen Spiegeln in die passende Experimentierhütte und zu dem dort geplanten Experiment geleitet.

Struktur und atomare Eigenschaften erforschen

Je nach genutzter Wellenlänge der Röntgenblitze können dort ultraschnelle Vorgänge, zeitliche Abläufe, die Strukturdynamik von Materialien, die Struktur einzelner Teilchen sowie die elektronischen und atomaren Eigenschaften an Flächen kondensierter Materie oder von Materie in extremen Zuständen untersucht werden.

„Die Großversuchsanlage zwischen Hamburg und Schleswig-Holstein ist ein wichtiger Meilenstein für die Innovationsstimulierung am Industriestandort Deutschland“, attestierte der Bundesverband der Deutschen Industrie (BDI) dem EuXFEL bereits kurz vor der Eröffnung vor acht Jahren. Zugleich räumte der BDI ein: „Es sind Dimensionen, die sich der menschlichen Wahrnehmung und Vorstellungskraft entziehen.“

Im Lighthouse erfahren Besucher, wie das Licht vom Desy zum XFEL gelangt

Seit der Eröffnung hat die Kommunikationsabteilung des EuXFEL deshalb ein umfassendes Informations- und Entertainmentprogramm aufgestellt. „Wir sprechen eine große Bandbreite von Zielgruppen an“, erläutert Pressesprecher Gerhard Samulat. „Das Spektrum reicht von den unmittelbaren Nachbarn und Laien, die einfach neugierig sind, über wissenschaftlich interessierte Gruppen bis zu Fachleuten.“

Jüngstes Kommunikationsmittel ist das im vergangenen November eröffnete „Lighthouse“. Arwen Cross koordiniert dort die Aktivitäten. Der aus Australien stammenden Biologin ist die Begeisterung für das EuXFEL sofort anzusehen. Ihre frühere praktische wissenschaftliche Arbeit in einem Biologielabor habe ihre Geduld ein wenig überfordert, räumt sie offen ein: „Drei Jahre lang ein Experiment vorbereiten und dann festzustellen, dass das Ergebnis kaum neue Erkenntnisse bringt – das war nicht mein Ding.“

Also sattelte sie um in die Wissenschaftskommunikation und schwärmt nun für die Arbeit in Schenefeld. „Wir können sogar Moleküle sichtbar machen“, strahlt sie und umfasst mit den Armen eine auf die Wand gemalte Gruppe von Atomen. Genau diese Begeisterung möchte sie auch bei den Besuchern der Ausstellung wecken.

Rund um eine dreidimensionale Darstellung des Weges der Elektronen von Hamburg bis zu den Experimentierhütten in Schenefeld sind „Hands-on-Exponate“ angeordnet, die das Grundprinzip der Forschungsarbeit verdeutlichen. Trotz des spielerischen Charakters räumt Arwen Cross ein: „Jugendliche sind nur schwer zu erreichen.“

Das „Xcool-Lab“ beherbergt ein Molekularbiologie- und ein Physiklabor

In dem Spannungsfeld zwischen Neugier und Desinteresse, zwischen Faszination und schwerer Verständlichkeit der wissenschaftlichen Arbeit, zwischen Theorie und Praxis bewegt sich die von Sarah Aretz geführte Schülergruppe über den Campus. Eine gewisse Offenheit gegenüber naturwissenschaftlichen Themen haben die jungen Leute aus ihrer Heimat Österreich mitgebracht – sie stehen kurz vor dem Abschluss an der Höheren Technischen Lehr- und Versuchsanstalt Salzburg, die als Schultyp zwischen der deutschen Berufs- und der Fachhochschule angesiedelt ist.

Im „Lighthouse“ besuchen sie das „Xcool-Lab“ mit einem Molekularbiologie- und einem Physiklabor. Die Jugendlichen arbeiten dort in zwei Gruppen. Im Biologiebereich des Xcool-Labs üben sie, verschiedene Corona-Varianten mittels PCR-Test zu bestimmen, und lernen so praktische Dinge wie den Umgang mit Pipetten und anderem wissenschaftlichen Handwerkszeug. „Solche konkreten Arbeiten haben wir selbst an unserer Fachschule selten“, sagt einer von ihnen.

Exponate zum Thema Röntgenbeugung im Physiklabor

Im Physiklabor präsentiert Sarah Aretz den Gästen aus Salzburg neben dem Umgang mit Mess­instrumenten und praktischen Experimenten ein neues, selbst entwickeltes Exponat zum Thema Röntgenbeugung. In einem abgedunkelten Glaskasten hat sie einen Laserpointer so installiert, dass sein grüner Lichtstrahl exakt waagerecht auf einen Kristall trifft.

Auf der der Lichtquelle gegenüberliegenden Seite ist der Beugungseffekt der Kristallstrukturen zu erkennen: Auf einem dort installierten weißen Schirm sind links und rechts neben dem zentralen Lichtpunkt feine grüne Linienmuster zu erkennen: „Sie können uns Aufschluss über die Struktur des Kristalls geben“, erklärt Aretz ihren Gästen.

Die Röntgenbeugung gehört zu den wichtigsten Methoden der Wissenschaftler, wenn sie „Aufnahmen“ von Molekülen machen wollen. Für ihr Schülerexperiment setzt Sarah Aretz Laserlicht aus dem sichtbaren Spektrum ein, das für die Beobachtung von Molekülen oder gar Atomen jedoch viel zu „grob“ wäre. Die Wellenlängen der Röntgenlaser sind dagegen mit minimalen Werten im Bereich von 0,1 nm fein genug, um auch Atome abbilden zu können.

Röntgenlaser ermöglichen mehr als 3000 hochauflösende Aufnahmen pro Sekunde

Die Wissenschaftler nutzen die Röntgenbeugung: Der auf die Probe auftreffende Röntgenlaser erzeugt durch die Beugung ein Streubild, das die hochauflösenden und mit mehr als 3000 Aufnahmen pro Sekunde superschnellen Detektoren erfassen können. „Mit etwas Mathematik – Stichwort Fourier-Trans­formation – können wir aus diesen Daten das Bild eines Atoms errechnen“, erläutert Zastrau.

Im HED hat eine Gruppe internationaler Forscher unter anderem aus der Universität Rostock und dem Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) auf diesem Weg eine wissenschaftliche Sensation geschaffen, von der Zastrau und Aretz den Schülern berichten. Ihnen gelang es in der „Interaction Chamber 2 (IC2) im HED flüssigen Kohlenstoff zu erzeugen und die Moleküle auf dem Weg von der festen in die flüssige Phase zu „filmen“.

Femtosekundenlaser mit 700 TW Leistung

Nebenan bereitet ein internationales Team die Interaction Chamber 1 auf das nächste Projekt vor. IC1 ist die größte Probenkammer des Forschungszentrums. Über ein komplexes System von Hochpräzisionsspiegeln, Optiken und Prismen können ein Femtosekundenlaser mit 700 TW Leistung sowie ein „100-Joule-High-Energy-Laser“, der alle 100 ms (10 Hz) Pulse bis zu 5 ns Länge abgibt, in den Probenraum gelenkt werden.

So können die Wissenschaftler Versuche mit sehr hohen Drücken und Temperaturen durchführen, um anschließend mithilfe des Röntgenlasers von EuXFEL einzigartige Einblicke in die exotischen Zustände gewinnen.

Drücke von mehreren Megabar gibt es nur im Inneren von Planeten

Zastrau erläutert in kurzen Stichworten den Ablauf: Ein hochenergetischer Laser lässt zunächst eine dünne Schicht auf der Oberfläche einer Probe verdampfen: „Dadurch wird das verbleibende Material extrem komprimiert“, sagt Zastrau. „Derartige Drücke von mehreren Megabar gibt es nur im Inneren von Planeten – und sie lassen sich ohne unsere Laser nicht erzeugen.“

Der Zustand dauert nur eine Nano- oder Pikosekunde. In dieser Zeit wird die Probe mit einem ultra­kurzen Röntgenlaserblitz „beleuchtet“. Die dabei beobachteten Beugungsmuster der Kohlenstoffatome erlauben Rückschlüsse auf ihre Anordnung im flüssigen Kohlenstoff. Durch eine Serie von derartigen Aufnahmen konnten die Wissenschaftler den Übergang des Kohlenstoffs von der festen in die flüssige Phase nachvollziehen.

Die Salzburger Schülerinnen und Schüler nehmen solche Erläuterungen mit Ehrfurcht und Staunen zur Kenntnis. „Das muss schon eine tolle Aufgabe und Arbeit sein“, überlegt einer von ihnen. „Anfangs war es schon etwas verwirrend“, meint ein Schüler. „Aber gerade die praktischen Experimente im Xcool-Lab haben schließlich eine gute Orientierung gegeben.“