Genauester Taktgeber der Welt ermöglicht Zeitlupenfilme von Atomen und Molekülen

26.01.2012: Das beste Metronom der Welt hält den Takt auf zehn trillionstel Sekunden genau und ermöglicht damit Zeitlupenfilme aus der Welt der Moleküle und Atome. Das hat eine Forschergruppe vom Hamburger Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) und dem amerikanischen Massachusetts Institute of Technology (MIT) gezeigt. Das Metronom besteht aus speziellen Lasern, die als sogenanntes optisches Schwungrad eingesetzt werden, und ist auf kurzen Zeitskalen der präziseste Taktgeber, den man derzeit kennt, schreibt das Team um Prof. Franz Kärtner vom Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY im Fachblatt „Nature Photonics“. Das CFEL ist eine Kooperation von DESY, der Max-Planck-Gesellschaft und der Universität Hamburg.

Der Lasertakt ist auf zehn Attosekunden (trillionstel Sekunden) genau, ausgeschrieben sind das 0,000 000 000 000 000 01 Sekunden. Atomuhren erreichen eine noch höhere Präzision, allerdings auf längeren Zeitskalen. Erst der präzise Lasertakt ermöglicht Filme aus dem Nanokosmos, denn die Bewegung von Elektronen in Atomen und Molekülen findet typischerweise im Bereich von 100 Attosekunden bis einigen Femtosekunden statt, wie Kärtner erläutert. „Das ist in etwa die Zeitskala, auf der ein Elektron um den Wasserstoffatomkern kreist oder die elektrische Ladung bei der Photosynthese durch ein Molekül wandert.“ Von neuartigen Lichtquellen, sogenannten Freie-Elektronen-Lasern, erhoffen sich Forscher detaillierte Einblicke in diese Prozesse.

Freie-Elektronen-Laser wie die Anlage FLASH bei DESY oder der im Bau befindliche Europäische Röntgenlaser European XFEL in Hamburg produzieren ultrakurze und gleichzeitig enorm helle Pulse von UV- und Röntgenstrahlung. Mit diesem besonderen Licht lassen sich Makroaufnahmen einzelner Atome und Moleküle gewinnen. Allerdings wird das Untersuchungsobjekt dabei wegen der hohen Intensität dieses Lichts auseinandergerissen.

Um also einen Zeitlupenfilm von molekularen Prozessen zu machen, muss man denselben Prozess viele Male mit frischen Proben wiederholen und jeweils ein wenig später einen Schnappschuss mit atomarer Auflösung aufnehmen. Wie verschiebt man aber die Belichtung zuverlässig um jeweils dieselbe Zeitspanne nach hinten? Dazu dienen optische Laser als Taktgeber. In ihnen pendelt ein Laserpuls zwischen zwei Spiegeln hin und her, wobei an der einen Seite jeweils ein Teil des Pulses ausgekoppelt wird.

So entsteht eine Pulsfolge, anhand derer sich alle Komponenten in einem Freie-Elektronen-Laser präzise takten und synchronisieren lassen. Auf diese Weise wird sowohl der zu beobachtende Prozess gestartet, als auch der „Auslöser“ für den gezielt verzögerten Schnappschuss gedrückt, und so lässt sich der zeitliche Ablauf des Prozesses verfolgen.

Weil der Puls im Inneren des Taktgeber-Lasers stabil hin- und herläuft, vergleichen die Physiker ihn mit einem Schwungrad, das in der Mechanik auch oft zur Stabilisierung regelmäßiger Vorgänge eingesetzt wird. Unklar war jedoch bislang, wie stabil dieses optische Schwungrad denn genau laufen kann. Direkt messen ließe sich das nur mit einem noch genaueren Taktgeber. Den gibt es aber nicht, sonst würde dieser in der Praxis eingesetzt.

Das Team um Kärtner verglich daher am MIT zwei hochpräzise Lasertaktgeber miteinander. Auf diese Weise lässt sich der mittlere Fehler beider Laser ermitteln. Der Vergleich zeigte, dass beide über 1000 Pulse hinweg auf 10 Attosekunden genau liefen. Das ist mehr als tausend Mal genauer, als die Synchronisierung in bestehenden Freie-Elektronen-Lasern derzeit möglich ist.

Diese extrem hohe Genauigkeit ist zunächst über eine Gesamtdauer von Mikrosekunden (millionstel Sekunden) stabil. Sie kann auch über längere Zeiträume erhalten bleiben, wenn der Laser durch einen geeigneten atomaren Prozess stabilisiert wird – nach diesem Prinzip arbeiten Atomuhren. Tatsächlich bilden sogenannte modengekoppelte Laser von ähnlichem Typ das Zählwerk moderner Atomuhren.