Schnappschüsse von bewegten Elektronen

02.04.2013: Elektronen sind der Klebstoff, der die Stoffe in der Chemie zusammenhält. Funktion und Veränderung von Materialien hängt entscheidend von ihren Bewegungen ab. Bei komplexen chemischen und biologischen Reaktionen lagern sich Elektronen ultraschnell um und entscheiden so die Eigenschaften der dadurch entstandenen Substanz. Eine Besonderheit der neuen Röntgenlaser wie FLASH oder European XFEL ist die Fähigkeit, genau diese ultraschnelle elektronische Umlagerung im Detail zu verfolgen. Mit dem Einblick in diese Vorgänge erhält man die Möglichkeit, das Verhalten der miteinander reagierenden Partner zu verändern und so neue funktionale Werkstoffe zu herzustellen. Für herkömmliche Synchrotronstrahlungsquellen waren diese Elektronenbewegungen immer zu schnell, um ein Bild davon zu erstellen. Mit ihren intensiven, ultrakurzen Lichtblitzen sollen die neuen Röntgenlaser-Anlagen jedoch Standbilder der Elektronenbewegungen während einer chemischen Reaktion machen, selbst dann, wenn die Probe nur aus einer Handvoll Molekülen besteht.

Für diese Hochgeschwindigkeitsaufnahmen werden jedoch nicht nur neue Detektoren und Geräte benötigt sondern auch neue theoretische Ansätze: Wie kann die Wechselwirkung zwischen einem ultrakurzen, hochintensiven Röntgenstrahl mit einer hochbeweglichen Anordnung von Elektronen beschrieben und interpretiert werden? Wie kann sichergestellt werden, dass der intensive Laserstrahl auf den jeweiligen Versuchsaufbau trifft, ohne die Probe und damit die Messung zu zerstören? Robin Santra und seine Kollegen vom Center for Free-Electron Laser Science bei DESY haben sich jetzt mit diesem grundlegenden Problem befasst. In ihrer Veröffentlichung in der Fachzeitschrift Physical Review Letters stellt die Gruppe um Gopal Dixit eine neue Strategie dar, um diese Umlagerung in Echtzeit sichtbar zu machen.

Für ihre Arbeit simulierte die Gruppe eine angeregte Anordnung von Elektronen, in der eine Umlagerung in wenigen Femtosekunden, der üblichen Zeit für Elektronenbewegungen, stattfand. In den Simulationen beschrieben die Wissenschaftler den eintreffenden Lichtblitz als ein mit den Elektronen wechselwirkendes Quantenpaket und zeigten, dass die Laserpulse tatsächlich in der Lage sind, verschiedene Stadien der ultraschnellen Elektronenbewegungen zu fotografieren. Außerdem zeigte das Team einen Ausweg, um das das Problem der Probenveränderungen durch das hochintensive Röntgenlicht bei der Aufnahme der Elektronenbewegung zu umgehen. Die Forscher empfehlen, bei den Schnappschüssen die Phasenänderung der Röntgenstrahlen durch die Probe auszunutzen. Diese sogenannte Phasenkontrastabbildung ist eine gängige Methode um Proben mit Synchrotronstrahlungslicht abzubilden. Dabei bedient man sich der Tatsache, dass die Wechselwirkung von Licht und Materie nicht nur die Intensität der Lichtwelle verändert sondern auch deren Phase. Der Phasenunterschied des durchgehenden Lichts  und des Streulichts kann nachgewiesen werden und gibt so Aufschluss über die Struktur der Probe.

„Dies sind natürlich sehr grundlegende theoretische Untersuchungen, aber sie bieten zum ersten Mal die Möglichkeit, Schnappschüsse von Elektronenbewegungen zu verschiedenen Zeitpunkten zu machen und damit einen Film über Elektronen zu drehen“, sagt Jan Malte Slowak, einer der Autoren. „Sobald diese Methode in Experimenten eingesetzt werden kann, wird sie Aufschluss über die ultraschnellen Prozesse der Natur geben, sodass wir sie besser verstehen können“, betont Gopal Dixit.