Physiker bändigen Atome 05.06.2013, 13:35 Uhr

Neue Lupe für das Unsichtbare

Mit ultrakurzen Elektronenimpulsen lassen sich neue Röntgentechniken entwickeln und Momentaufnahmen im Mikrokosmos machen.

<emphasize>Ein Laserpuls (rot) trifft auf Heliumatome (blau), die aus einer Düse mit Überschallgeschwindigkeit entlassen werden. Ein sehr kompakter und kontrollierter Dichteunterschied (dunkelblauer Strahl) entsteht durch eine teilweise Abdeckung der Düse durch eine Rasierklinge. Exakt an diesem Dichteunterschied trifft der Laserpuls auf die Heliumatome, löst dort Elektronen heraus und beschleunigt sie fast bis aus Lichtgeschwindigkeit. Da die Elektronen alle am selben Ort und zudem zeitgleich von den Atomen gelöst werden, haben sie nahezu dieselbe Energie.</emphasize> 

Ein Laserpuls (rot) trifft auf Heliumatome (blau), die aus einer Düse mit Überschallgeschwindigkeit entlassen werden. Ein sehr kompakter und kontrollierter Dichteunterschied (dunkelblauer Strahl) entsteht durch eine teilweise Abdeckung der Düse durch eine Rasierklinge. Exakt an diesem Dichteunterschied trifft der Laserpuls auf die Heliumatome, löst dort Elektronen heraus und beschleunigt sie fast bis aus Lichtgeschwindigkeit. Da die Elektronen alle am selben Ort und zudem zeitgleich von den Atomen gelöst werden, haben sie nahezu dieselbe Energie. 

Foto: Thorsten Naeser

Die einzelnen Phasen ultraschneller Veränderungen im Mikrokosmos, also dem Bereich, der allenfalls durch Elektronen- oder Rastertunnelmikroskope sichtbar gemacht werden können, lassen sich künftig gewissermaßen fotografisch festhalten. Ebenso das Geschehen innerhalb von lebenden Zellen von Mensch, Tier oder Pflanze. Als bildgebendes Medium fungieren extrem kurze Pulse von Elektronen, die alle die gleiche Energie haben, sich also gleich schnell bewegen, und das mit nahezu Lichtgeschwindigkeit.

Milliarden Elektronen dazu zu bewegen, im Femtosekundenbereich (eine Femtosekunde ist ein Millionstel einer Milliardstel Sekunde) ein einheitliches energetisches Niveau anzunehmen, ist bisher nur mit Hilfe von großen Teilchenbeschleunigern möglich, die hunderte Millionen Euro kosten. Die Kosten eines Experiments sind entsprechend hoch, sodass ein kurzer Blick in den Mikrokosmos wohl überlegt sein muss. Außerdem ist es sehr aufwändig, den Teilchenstrom nach einigen Femtosekunden abzubrechen, sodass ein genügend kurzer Puls entsteht.

Über die Klinge gesprungen

Mit einer Versuchsanordnung im Labor für Attosekundenphysik am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching bei München lassen sich Elektronen jetzt kostengünstiger bändigen. Eine Attosekunde ist noch 1000 Mal kürzer als eine Femtosekunde. Die Physiker Laszlo Veisz und Stefan Karsch arbeiten mit Heliumatomen, die mit Überschallgeschwindigkeit aus einer Düse schießen. Ein Teil davon wird von einer schlichten Rasierklinge aufgehalten, die eine Hälfte der Düse abdeckt.

Auf die Atome, die gewissermaßen über die Klinge springen, schießen die Wissenschaftler einen Laserblitz von unvorstellbar kurzer Dauer. Dieser reißt die Elektronen aus den Atomen heraus und beschleunigt sie innerhalb von wenigen tausendstel Millimetern nahezu auf Lichtgeschwindigkeit. Da die Elektronen exakt an der scharfen Klinge starten, erreichen sie alle die gleiche Energie. Das ist die Voraussetzung dafür, dass sie als eine Art Lupe für den Mikrokosmos genutzt werden können.

Kompakte und preiswerte, gut kontrollierbare Beschleuniger mit hoher Strahlqualität könnten in Zukunft auch dafür sorgen, dass neue Röntgentechniken mit erheblich verminderter Strahlenbelastung für viele Patienten zur Diagnose von Krankheiten zur Verfügung stehen.

Von Wolfgang Kempkens Tags:

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