Nano-fokussierter Röntgenlaserstrahl filmt Materie in Echtzeit
Wie sich Atome bewegen, chemische Reaktionen eingehen und schließlich an ihren Ort kommen, soll zukünftig mit Hilfe des so genannten Röntgen-Freie-Elektronen-Lasers sichtbar gemacht werden. Einem Forscherteam der TU Dresden ist gemeinsam mit dem SLAC National Accelerator Laboratory in Menlo Park, Kalifornien und der Königlichen Technischen Hochschule Stockholm ein wichtiger Schritt in diese Richtung gelungen: Sie konnten einen Röntgenlaserstrahl auf etwa 100 nm, also etwa einem Tausendstel der Breite eines menschlichen Haares, fokussieren und diesen dabei detailliert vermessen. Der so erzeugte nano-fokussierte Röntgenlaserstrahl, der aus sehr kurzen und intensiven Röntgenpulsen besteht, lieferte bereits die ersten Abbildungen, die mit einer Belichtungszeit von 50 Femtosekunden (50 billiardstel Sekunden) jegliche Bewegung der Atome in der Probe einfrieren. Die bisher gebräuchlichen Mikroskopiemethoden können nur Bilder erzeugen, wenn die Atome „stillhalten" und sich starr in einen festen Körper einfügen.
Voraussetzung für die richtige Interpretation der entstehenden Bilder ist, die genauen Eigenschaften des nano-fokussierten Röntgenlaserstrahls zu kennen. Dafür hat das Forscherteam um Dr. Andreas Schropp und Prof. Christian Schroer vom Institut für Strukturphysik der TU Dresden eine neue Abbildungsmethode entwickelt. Sie beruht auf der Beugung der Röntgenstrahlung an einer Probe. Diese wird in der Nähe des Brennpunkts positioniert und durch den feingebündelten Strahl gerastert. An jedem dieser Rasterpunkte wird in einem größeren Abstand das von der Probe gestreute Röntgenlicht aufgenommen. Mit Hilfe des Computers können aus diesem Bildersatz sowohl die Struktur der Probe, als auch der vollständige drei-dimensionale Verlauf des gebündelten Röntgenpulses rekonstruiert werden.
Die Erzeugung und Charakterisierung der nanofokussierten Röntgenlaserpulse bietet zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten. So können sie helfen zu verstehen, wie Stoffe entstehen und wie sich Werkstoffe verbessern lassen. Darüber hinaus kann die neue Methode in den Bereichen Mikroskopie und Röntgenoptik zum Einsatz kommen, oder bei der Erzeugung von Materie unter extremen Drücken und Temperaturen, wie sie zum Beispiel im Inneren von großen Planeten herrschen. Aufgrund dieser Bedeutung in vielen Forschungsbereichen gehen die Wissenschaftler davon aus, dass sich die Erzeugung und Charakterisierung des nanofokussierten Röntgenlaserstrahls als Standardmethode etablieren wird.
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