Elektronen-Bewegung in einem Atom messen

Neue Technik liefert Verbesserung der Auflösung bei ultraschnellen Prozessen

An der Technischen Universität München (TUM) wird ultraschnelle Wissenschaft betrieben. Ein seit einigen Jahren erfolgreiches internationales Konsortium von Wissenschaftlern, das der Professor für Laser- und Röntgenphysik Reinhard Kienberger maßgeblich mit initiiert hat, hat am amerikanischen Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) bedeutende Messungen im Femtosekundenbereich gemacht.

Freie-Elektronen-Laser (englisch: X-ray free-electron lasers, XFELs) liefern seit über einem Jahrzehnt intensive Femtosekunden-Röntgenpulse. Eine Femtosekunde entspricht dem Millionstel einer Milliardstel-Sekunde.

Eine der vielversprechendsten Anwendungen von XFELs liegt in der Biologie, wo Forscher Bilder bis hinunter auf die atomare Skala aufnehmen können, noch bevor die Strahlung die Probe zerstört. Auch in der Physik und Chemie können diese Röntgenstrahlen mit einer Belichtungszeit von nur einer Femtosekunde Licht auf die schnellsten Prozesse in der Natur werfen.

Messungen auf winzigen Zeitskalen sind besonders schwierig

Auf diesen winzigen Zeitskalen ist es jedoch extrem schwierig, den Röntgenpuls, der eine Reaktion in der Probe auslöst, einerseits und den Laserpuls, der sie “beobachtet”, andererseits zu synchronisieren. Dieses Problem wird Timing-Jitter genannt und ist eine große Hürde bei den laufenden Bemühungen, zeitaufgelöste Experimente an XFELs mit immer kürzerer Auflösung durchzuführen.

Nun hat ein großes internationales Forschungsteam eine Methode gefunden, dieses Problem bei XFELs zu umgehen, und ihre Wirksamkeit anhand der Messung eines fundamentalen Zerfallsprozesses in Neongas nachgewiesen.

Gutes Timing kann Strahlungsschäden vermeiden

Viele biologische Systeme – und einige nicht-biologische – erleiden Schäden, wenn sie durch einen Röntgenpuls aus einem XFEL angeregt werden. Eine der Ursachen für die Schädigung ist der so genannte Auger-Zerfall. Der Röntgenpuls katapultiert die Elektronen des Kernniveaus in der Probe aus ihrer Position, was dazu führt, dass sie durch Elektronen in äußeren Schalen ersetzt werden. Wenn sich diese Außenelektronen entspannen, setzen sie Energie frei, die die Emission eines weiteren Elektrons, eines so genannten Auger-Elektrons, auslösen kann.

Strahlenschäden werden sowohl durch die intensive Röntgenstrahlung als auch durch die fortgesetzte Emission von Auger-Elektronen verursacht, die die Probe schnell zersetzen können. Das Timing dieses Zerfalls würde helfen, Strahlungsschäden bei Experimenten zur Untersuchung verschiedener Moleküle zu vermeiden. Darüber hinaus ist der Auger-Zerfall ein Schlüsselparameter bei der Untersuchung hoch angeregter Materiezustände, die nur an XFELs untersucht werden können.

Forschungsteam liefert bahnbrechenden und hochpräzisen Ansatz

Um den Auger-Zerfall aufzuzeichnen entwickelte das Forschungsteam einen bahnbrechenden, hochpräzisen Ansatz. Die Technik wird selbstreferenziertes Attosekunden-Streaking genannt und basiert darauf, die Elektronen in Tausenden von Bildern zu kartieren und anhand von globalen Trends in den Daten abzuleiten, wann sie emittiert wurden.

Für die erste Anwendung dieser Methode untersuchte das Team Elektronen aus Neongas. Nachdem sie beide Arten von emittierten Elektronen einem externen “streifenden” Laserpuls ausgesetzt hatten, bestimmten die Forscher ihre endgültige kinetische Energie in jeder von zehntausenden Einzelmessungen.

„Entscheidend ist, dass die Auger-Elektronen bei jeder Messung immer etwas später mit dem streifenden Laserpuls wechselwirken als die Photoelektronen“, sagt Prof. Reinhard Kienberger, der das Design des Experiments mitentwickelt hat. „Dieser konstante Faktor bildet die Grundlage der Technik.“ Durch die Kombination so vieler Einzelbeobachtungen konnte das Team eine detaillierte Karte des physikalischen Prozesses erstellen und so die charakteristische Zeitverzögerung zwischen der Photo- und Auger-Emission bestimmen.

Streaking-Methode führt zum Erfolg

Die benötigte hohe Zeitauflösung wird durch die so genannte Streaking-Methode ermöglicht. „Diese Technik wird erfolgreich bei uns im Labor angewandt. In mehreren Vorarbeiten unserer Gruppe haben wir anhand der Streaking-Methode zeitaufgelöste Messungen an Freie-Elektronen-Lasern durchgeführt“, sagt TUM-Doktorand Albert Schletter, Mitautor der Publikation. „Mit dieser Methode konnte die Verzögerung zwischen Röntgen-Ionisation und Auger-Emission in Neongas mit höchster Präzision gemessen werden“, erklärt Erstautor Dan Haynes vom Hamburger Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie.

Das Wissenschaftsteam hofft, dass das selbstreferenzierte Streaking künftig eine breitere Wirkung auf dem Gebiet der ultraschnellen Wissenschaft haben wird. „Das selbstreferenzierte Streaking könnte sogar eine neue Klasse von Experimenten ermöglichen, die von der Flexibilität und der extremen Intensität von XFELs profitieren, ohne Kompromisse bei der Zeitauflösung einzugehen“, fügt Mitautor Markus Wurzer an, der bei Prof. Kienberger promoviert.

Weitere Informationen: www.tum.de

Bild: Die vom SLAC-Linearbeschleuniger beschleunigten Elektronen durchlaufen in dieser Halle 32 leistungsstarke Undulatoren. Wenn die hier erzeugten Röntgenlaserpulse die Halle verlassen, sind sie eine Milliarde Mal heller als die Strahlen herkömmlicher Synchrotron-Röntgenquellen und eröffnen ein neues Reich möglicher Experimente und Entdeckungen.

Bildrechte: Christopher Smith/SLAC National Accelerator Laborator, Quelle: www.tum.de
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