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

Die Attosekunden-Stoppuhr

Titelbild der April-Ausgabe von Nature Photonics: Ultrakurze Röntgenpulse (rosa) ionisieren Neongas im Zentrum des Rings. Ein Infrarotlaser (orange) lenkt die Elektronen (blau) auf ihrem Weg zu den Detektoren ab. (Bild: Terry Anderson / SLAC National Accelerator Laboratory)
Titelbild der April-Ausgabe von Nature Photonics: Ultrakurze Röntgenpulse (rosa) ionisieren Neongas im Zentrum des Rings. Ein Infrarotlaser (orange) lenkt die Elektronen (blau) auf ihrem Weg zu den Detektoren ab. (Bild: Terry Anderson / SLAC National Accelerator Laboratory)

Forschung

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.

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.

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.

Publikation:

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

Weitere Informationen:

Gefördert wurden die Arbeiten durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft im Rahmen des Exzellenzclusters Munich-Centre for Advanced Photonics (MAP), durch das Bayerisch-Kalifornischen Hochschulzentrum (BaCaTeC), durch die Europäische Gemeinschaft im Rahmen der Initiative Laserlab-Europe IV, des European XFEL, eines Consolidator Grants des European Research Councils und eines Marie Curie Stipendiums, durch das US Department of Energy (US DOE), das spanische Ministerio de Economia, Industria y Competividad (MINECO), das Schweizer National Center of Competence in Research, Molecular Ultrafast Science and Technology (NCCR-MUST), die Volkswagen Stiftung und durch ein Peter Paul Ewald Stipendium.

Beteiligt an den Arbeiten zu dieser Publikation waren Wissenschaftler der TU München und der LMU München, des SLAC National Accelerator Laboratory (USA), des Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY), des European X-ray Free-Electron Laser (Eu-XFEL), der Universität Kassel, der Universität Gothenburg (Schweden), der Universität Bern (Schweiz), der University of Colorado in Boulder (USA), der baskischen Universität in San Sebastian (Spanien) und der Lomonossov Universität Moskau (Russland).

Exzellenzcluster Munich-Centre for Advanced Photonics

European XFEL

SLAC National Accelerator Laboratory

Bildmaterial in druckfähiger Auflösung:

https://mediatum.ub.tum.de/1446831

Kontakt:

Prof. Dr. Reinhard Kienberger
Technische Universität München
Lehrstuhl für Laser- und Röntgenphysik, E11
James Frank Str., 85748 Garching, Germany
Tel.: +49 89 289 12840
reinhard.kienberger@tum.de

Dr. Wolfram Helml
Ludwig-Maximilians-Universität München
Fakultät für Physik, Lehrstuhl für Experimentalphysik – Laserphysik
Am Coulombwall 1, 85748 Garching, Deutschland
Tel.: +49 89 289 14169
Wolfram.Helml@lmu.de

Illustration der ringförmig wie auf dem Zifferblatt einer Uhr angeordneten 16 Detektoren. (Bild: Frank Scholz & Jens Buck, DESY)
Illustration der ringförmig wie auf dem Zifferblatt einer Uhr angeordneten 16 Detektoren. (Bild: Frank Scholz & Jens Buck, DESY)
Luftaufnahme des European XFEL-Campus mit der Stadt Hamburg im Hintergrund. (Bild: Eurpoean XFEL)
Luftaufnahme des European XFEL-Campus mit der Stadt Hamburg im Hintergrund. (Bild: Eurpoean XFEL)
Ultrakurze Röntgenpulse (pink) ionisieren Neongas in der Mitte eines Ringes von Detektoren. Der zirkular polarisierte Strahl eines Infrarotlasers (orange) beschleunigt die austretenden Elektronen (blau) auf ihrem Weg zu den Detektoren. Deren Signale geben Aufschluss über die Zeit- und Energiestruktur der Röntgenimpulse. (Bild: Terry Anderson / SLAC National Accelerator Laboratory)
Ultrakurze Röntgenpulse (pink) ionisieren Neongas in der Mitte eines Ringes von Detektoren. Der zirkular polarisierte Strahl eines Infrarotlasers (orange) beschleunigt die austretenden Elektronen (blau) auf ihrem Weg zu den Detektoren. Deren Signale geben Aufschluss über die Zeit- und Energiestruktur der Röntgenimpulse. (Bild: Terry Anderson / SLAC National Accelerator Laboratory)