Röntgenblitze sollen helfen, Händigkeit zu begreifen
Neue Methode um sich schraubenförmig ausbreitendes Röntgenlicht zu vermessen
Eine Forschergruppe unter der Leitung von European XFEL-Wissenschaftlern hat eine neue Methode eingesetzt, um sich schraubenförmig ausbreitendes – oder zirkular polarisiertes – Röntgenlicht zu identifizieren und zu messen, dessen Anwendung neue Gebiete der Chemie und anderer Wissenschaftsbereiche erschließen könnte. Das Verfahren wurde erstmals am Freien Elektronen Laser FERMI in Triest getestet, der derzeit einzigen Anlage der Welt, an der so intensives und polarisiertes Laserlicht zur Verfügung steht.
Mit Hilfe dreidimensionaler Spektren, die wie dieses die durch den Röntgenlaser aus dem Heliumatom herausgeschlagenen Elektronen zeigen, können die Forscher Rückschlüsse auf die zirkulare Polarisation ziehen.
European XFEL
Die Arbeit, an der auch Wissenschaftler von FERMI, DESY und anderen Forschungseinrichtungen beteiligt waren, wurde im Online-Journal Nature Communications veröffentlicht.
In zirkular polarisierte Röntgenstrahlen setzen Forscher verschiedener Fachrichtungen große Erwartungen, da sie Informationen über chemische Asymmetrien – auch als Händigkeit oder Chiralität bezeichnet – enthüllen können. Viele Reaktionen und Mechanismen in diesem Zusammenhang sind gut untersucht, aber ein tieferes Verständnis der den Reaktionen zugrunde liegenden Asymmetrien könnte unter anderem weitreichende Auswirkungen auf die Entwicklung chemischer und pharmazeutischer Prozesse haben. Außerdem spielen Asymmetrien auch bei magnetischen Eigenschaften eine Rolle, wo ihre Erforschung zu Fortschritten bei der Datenspeicherung führen könnte.
Die Methode, die Wissenschaftler von European XFEL in Zusammenarbeit mit Kollegen von anderen Forschungseinrichtungen verwendet haben, basiert auf Messungen an Helium-Atomen, die den Röntgenblitzen ausgesetzt werden. Die Blitze schlagen dabei eins der beiden Elektronen des Heliums heraus, so dass ein geladenes Ion entsteht. Das Heliumion und das wegfliegende Elektron erhalten dabei eine Polarisierung, die von der Polarisierung des Röntgenblitzes abhängt. Wenn Atom und Elektron dann vom Strahl eines „normalen“ optischen Lasers mit bekannter Polarisierung getroffen und durch ein Spektrometer beobachtet werden, lässt sich die Polarisation des Röntgenstrahls präzise vermessen.
„So wie ein Fährtenleser aus den Spuren wilder Tiere herauslesen kann, wohin und wie schnell es sich bewegt hat, können wir aus dem elektromagnetischen Fußabdruck der Röntgenblitze auf dem Helium schließen, wie und wie stark sie polarisiert sind,“ erklärt Michael Meyer, leitender Wissenschaftler bei European XFEL und Hauptautor der Arbeit. “Diese Experimente öffnen die Tür für eine neue Art von Untersuchungen, die auf vielen Gebieten Anwendungen finden können. Unsere Ergebnisse zeigen, dass es möglich ist Licht mit dieser speziellen Eigenschaft – der zirkularen Polarisation – als Werkzeug zur Untersuchung von Asymmetrien bei Atomen und komplexeren Biomolekülen zu verwenden.
An Freie-Elektronen-Lasern wie FERMI und dem European XFEL nutzen Wissenschaftler deren intensive Lichtblitze, um Proben atomgenau abzubilden oder sehr schnelle Prozesse zu untersuchen. Um aber das volle Potenzial dieser neuen Großforschungseinrichtungen zu erschließen, möchten die Wissenschaftler auch andere Besonderheiten der Strahlung nutzen, darunter die zirkulare Polarisation. Polarisation ist eine häufig beobachtete Eigenschaft des Lichts, die auch im Alltag Verwendung findet, beispielsweise in Sonnenbrillen, Windschutzscheiben und Fernsehgeräten, wobei die elektromagnetischen Felder der Lichtstrahlen jeweils in einer bestimmten Art und Weise ausgerichtet sind. Bei zirkular polarisiertem Licht beispielsweise drehen sich diese Felder wie ein Korkenzieher im Uhrzeigersinn oder umgekehrt.
Für viele Fragestellungen müssen Wissenschaftler wissen, in welchem Maße die Röntgenstrahlen, mit denen sie arbeiten, zirkular polarisiert sind und in welcher Drehrichtung. Eine der spannendsten Fragen in diesem Zusammenhang ist die, warum so viele wichtige Biomoleküle eine Händigkeit aufweisen. Händigkeit – auch als Chiralität bezeichnet – führt dazu, dass einige Moleküle in zwei spiegelbildlichen Formen existieren, eine “rechtshändige” und eine “linkshändige”. Eine interessante Frage in der Biochemie ist es, warum bestimmte molekulare Bausteine des Lebens wie Aminosäuren ausschließlich linkshändig sind, während andere wie Zucker fast ausschließlich rechtshändig vorliegen.
„Untersuchungen mit zirkular polarisierten Röntgenblitzen könnten enthüllen, warum bei Biomolekülen ein Überschuss der linkshändigen oder rechtshändigen existiert“, erklärt Meyer. In ähnlicher Weise könnten Studien magnetischer Materialien, bei denen Wissenschaftler versuchen magnetische Eigenschaften auf immer kleineren Raum unterzubringen, ein möglicher Startpunkt für die Entwicklung von Datenspeichern mit extrem hoher Kapazität sein.
In manchen Anwendungen ist es schwierig, zirkular polarisierte Röntgenstrahlen von „normalem“, willkürlich orientierten unpolarisierten Röntgenstrahlen zu unterscheiden, denn die Polarisationsfilter, die diese beiden Arten von Licht normalerweise trennen könnten, existieren für die intensive Röntgenlaserstrahlung nicht. Die neue Technik füllt hier eine Lücke.
„Die Technik erfordert eine präzise Kontrolle der Polarisation der Röntgenlaserstrahlung und eine exakte Synchronisation mit dem optischen Laser“, sagt Carlo Callegari, Wissenschaftler bei FERMI, Mitautor der Arbeit und Koordinator des LDM-Instruments, an dem die Arbeit ausgeführt wurde.
Das Verfahren ist relativ einfach anzuwenden, erfordert nicht viel zusätzliches Material und kann leicht auf andere Einrichtungen wie den European XFEL übertragen werden. „Wissenschaftler können die Polarisation nun besser prüfen, was sich besonders zum Beispiel nach Änderungen an den optischen Elementen empfiehlt – ähnlich wie Musiker von Zeit zu Zeit sicherstellen müssen, dass ihr Instrument noch richtig gestimmt ist,“ erklärt Meyer.
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