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Home - Nachrichten - 2011 - Terahertzblitze ermöglichen exakte Röntgenmessungen

Meldung, 02. Februar 2011

Terahertzblitze ermöglichen exakte Röntgenmessungen

Wissenschaftler entwickeln eine Methode, um Prozesse mit hochintensiven ultrakurzen Röntgenpulsen bis auf wenige Femtosekunden genau zu untersuchen.

Röntgenblitze zu erzeugen, die nur wenige Femtosekunden (Millardster Teil einer millonstel Sekunde) lang sind, ist seit einigen Jahren möglich. Sie können von Freie-Elektronen-Lasern (FEL) wie FLASH am Forschungszentrum DESY in Hamburg, LCLS in Stanford (USA) oder dem im Bau befindlichen Röntgenlaser European XFEL erzeugt werden. Tatsächliche Experimente waren aber bislang nur mit einer Auflösung von typischerweise etwa hundert Femtosekunden möglich – also zwei Größenordnungen schlechter als die erzielten Pulsdauern. Das Problem war, genau zu bestimmen, wann die Röntgenpulse im Experiment ankommen.

Eine Forschergruppe des Helmholtz-Zentrums Berlin für Materialien und Energie (HZB), des DESY, der European XFEL GmbH und des Helmholtz-Instituts Jena hat nun einen Weg gefunden, die Ankunftszeit von Röntgenpulsen mit einer Genauigkeit von weniger als zehn Femtosekunden zu messen und stellt ihre Ergebnisse in der aktuellen Online-Ausgabe von Nature Photonics (DOI: 10.1038/NPHOTON.2010.311) vor.

Die neue Methode basiert auf einer so genannten Kreuzkorrelation und wurde am Freie-Elektronen-Laser FLASH für so genannte „Pump-Probe“-Verfahren entwickelt. Dabei löst ein erster ultrakurzer Pump-Puls beispielsweise eine photochemische Reaktion aus. Ein zweiter Puls aus Röntgenlicht „fotografiert“, wie sich die Reaktion entwickelt. Forscher können nun erstmals genau bestimmen, zu welchem Zeitpunkt das Bild durch den zweiten Puls entsteht. Die Wissenschaftler nutzen bei ihrer neuen Methode hierfür einen Nebeneffekt der Röntgenpulserzeugung: Das in FLASH beschleunigte Elektronenpaket sendet, neben dem Röntgenblitz, gleichzeitig einen intensiven Terahertzblitz aus. Die Wissenschaftler trennen beide Blitze mit Hilfe eines gelochten goldbeschichteten Spiegels voneinander. Da beide Pulse zur gleichen Zeit und vom gleichen Elektronenpaket erzeugt werden, dient der Terahertzblitz als zeitlicher „Marker“ des Röntgenlichtblitzes, der als Zeitreferenz genutzt wird. So gelang es den Forschern, bis auf sieben Femtosekunden genau zu bestimmen, wann der Röntgenlichtblitz die Probe erreicht.

Die neue Methode kann nun mit sehr geringen Modifikationen an allen bestehenden und geplanten neuen FEL-Quellen angewendet werden. In Kombination mit entsprechenden Experimenten eröffnet sie die Möglichkeit, das Potenzial dieser Großgeräte voll auszuschöpfen. Erstmals können Phänomene nun auf der relevanten Femtosekunden-Zeitskala mit Röntgenpulsen untersucht werden. Darauf haben Wissenschaftler lange gewartet.

Link zu der Veröffentlichung

Ausschnitt aus einer der veröffentlichten Abbildungen
Nature Photonics