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Neue Technik liefert Verbesserung der Auflösung bei ultraschnellen Prozessen
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PRESSEMITTEILUNG
Neue Technik liefert Verbesserung der Auflösung bei ultraschnellen Prozessen
Die Bewegung der Elektronen im Inneren eines Atoms messen
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.
Publikation:
D. C. Haynes, M. Wurzer, A. Schletter, A. Al-Haddad, C. Blaga, C. Bostedt, J. Bozek10, M. Bucher, A. Camper, S. Carron, R. Coffee, J. T. Costello, L. F. DiMauro, Y. Ding, K. Ferguson, I. Grguraš, W. Helml, M. C. Hoffmann, M. Ilchen, S. Jalas, N. M. Kabachnik, A. K. Kazansky, R. Kienberger4 A. R. Maier, T. Maxwell, T. Mazza, M. Meyer, H. Park, J. Robinson, C. Roedig, H. Schlarb, R. Singla, F. Tellkamp, K. Zhang, G. Doumy, C. Behrens, A. L. Cavalieri: Clocking Auger electrons. In: Nature Physics.
DOI: 10.1038/s41567-020-01111-0
Kontakt:
Prof. Dr. Reinhard Kienberger
Lehrstuhl für Laser- und Röntgenphysik
James-Franck-Straße, 85748 Garching
E-Mail: reinhard.kienberger(at)tum.de
Die Technische Universität München (TUM) ist mit rund 600 Professorinnen und Professoren, 45.000 Studierenden sowie 10.000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern eine der forschungsstärksten Technischen Universitäten Europas. Ihre Schwerpunkte sind die Ingenieurwissenschaften, Naturwissenschaften, Lebenswissenschaften und Medizin, verknüpft mit den Wirtschafts- und Sozialwissenschaften. Die TUM handelt als unternehmerische Universität, die Talente fördert und Mehrwert für die Gesellschaft schafft. Dabei profitiert sie von starken Partnern in Wissenschaft und Wirtschaft. Weltweit ist sie mit dem Campus TUM Asia in Singapur sowie Verbindungsbüros in Brüssel, Mumbai, Peking, San Francisco und São Paulo vertreten. An der TUM haben Nobelpreisträger und Erfinder wie Rudolf Diesel, Carl von Linde und Rudolf Mößbauer geforscht. 2006, 2012 und 2019 wurde sie als Exzellenzuniversität ausgezeichnet. In internationalen Rankings gehört sie regelmäßig zu den besten Universitäten Deutschlands. www.tum.de