Reaktionen in Echtzeit 10.04.2013, 15:00 Uhr

Nanofokussierter Röntgenlaserstrahl versetzt Atome in Schockzustand

Erstmals konnte ein internationales Forscherteam mit einem Röntgenlaserstrahl ein sich bewegendes Atom auf eine Entfernung von etwa 100 Nanometer fokussieren und diese Bewegung festhalten. Zuvor konnten nur Bilder von Atomen erzeugt werden, die sich unbeweglich und starr in einen festen Körper einfügen.

Ein komplexes Wellenfeld breitet sich ± 15 mm entlang der optischen Achse aus.

Ein komplexes Wellenfeld breitet sich ± 15 mm entlang der optischen Achse aus.

Foto: TU Dresden

Ein Tausendstel der Breite eines Menschenhaares entfernt lag der Röntgenlaserstrahl, mit dem das Forscherteam der TU Dresden, des SLAC National Accelerator Laboratory in Menlo Park, Kalifornien und der Königlichen Technischen Hochschule Stockholm das Atom abbildeten und detailliert vermessen konnten. Sie hatten eine nur klitzekleine Belichtungszeit für ihre Aufnahme zur Verfügung: 50 Femtosekunden, was 50 billiardstel Sekunden entspricht. Durch die winzige Belichtungszeit wird jegliche Bewegung im Atom quasi schockgefroren. Die sehr kurze Aufnahmezeit ist entscheidend für das Bild. „Man sieht ein scharfes Bild von allem, was sich bewegt, wie etwa eine Schockwelle in der Materie“, erklärt Professor Christian Schroer vom Institut für Strukturphysik der TU Dresden.

Neue Abbildungsmethode entwickelt

Dafür entwickelten die Wissenschaftler eine neuartige Abbildungsmethode. Diese beruht auf der Beugung der Röntgenstrahlung an der Probe. Die Röntgenstrahlung wird in der Nähe des Brennpunkts festgelegt und durch einen feingebündelten Strahl gerastert. Das Röntgenlicht, das von der Probe verteilt wird, kann an jedem Rasterpunkt mit einem größeren Abstand aufgenommen werden. Der Röntgenlaserstrahl besteht aus sehr kurzen und intensiven Röntgenpulsen.

Schematische Darstellung des Versuchaufbaus.

Schematische Darstellung des Versuchaufbaus.

Foto: TU Dresden

Damit die Aufnahmen auch richtig gedeutet werden können, müssen Wissenschaftler die Eigenschaften des nano-fokussierten Röntgenlaserstrahls genau kennen. Dann können sie auch genaue Strukuren und den drei-dimensionalen Verlauf des Röntgenpulses nachverfolgen. 

Künftig soll mit dem Röntgen-Freie-Elektronen-Laser beobachtet werden, wie sich Atome bewegen und wie sie chemische Reaktionen eingehen. Werkstoffe könnten verbessert werden und selbst neue Stoffe könnten entstehen.

Röntgenlaserpulse in der Mikroskopie und Röntgenoptik

In der Mikroskopie und Röntgenoptik könnte die neue Methode der Röntgenlaserpulse helfen,  Materie unter extremen Drücken und Temperaturen zu erzeugen. Diese kommen beispielsweise im Inneren von Planeten vor.

Um in Zukunft Atome filmen zu können und der Chemie live zuschauen zu können, seien die nanofokussierten Röntgenstrahlen sehr wichtig, meint Schroer. „Das ist aber noch Zukunftsmusik.“

Jedoch erhoffen sich die Wissenschaftler die baldige Etablierung des nanofokussierten Röntgenlaserstrahls zur Standardmethode.

Von Petra Funk

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