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Showtime bei den Molekülen

Wie Forscher chemische und physikalische Elementarprozesse filmen und superstarke Röntgenlaser erzeugen wollen.

Quelle: Financial Times Deutschland, 19.01.2010


	Ein Physiker bei Vorarbeiten zu Röntgenspezialuntersuchungen am Desy in Hamburg

Extrem kurzwelliges Licht lässt Physiker und Ingenieure weltweit hoffen, immer genauer in Materie zu blicken. Im Nanobereich sollen es neue Generationen winzigster Schaltkreise für die Mikroelektronik ermöglichen, Menschen noch detaillierter zu untersuchen und Materialqualität bis aufs Atom prüfbar zu machen. Das Werkzeug dazu ist Strahlung, die alle Wellenlängenbereiche von ultraviolettem Licht bis hin zu harter Röntgenstrahlung umfasst.

Röntgenblitze, kürzer als das Milliardstel einer Millionstel Sekunde, machen heute bereits sichtbar, was Standardröntgenröhren unmöglich ist. Vor allem für die Materialforschung sind die Kurzblitze daher wichtig. Forschern des Max-Born-Instituts in Berlin ist es mit solchen Impulsen gelungen, die Teilchenbewegung in einem Nanochip sichtbar zu machen.

Sie bekamen Einblick in extrem schnelle chemische und physikalische Vorgänge, etwa in den einzelnen Schichten eines Chips. "Bei der räumlichen und zeitlichen Auflösung, die diese Strahlung ermöglicht, können wir in Echtzeit am Computer beobachten, wie Stoffe einzelne Atome austauschen oder ganze Molekülketten umbauen. Wir sind gewissermaßen live dabei, wenn Substanzen ihre Strukturen verändern oder völlig neue entstehen", erklärt Thomas Elsässer, Direktor des Max-Born-Instituts für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie in Berlin.

Leistungsstarke Winzlinge

Wie in einem Film ließen diese Vorgänge sich verfolgen, ausgelöst durch einen ersten ultrakurzen Lichtimpuls, den ein Laser auf die Materie schickt. Deren Atome werden angeregt und beginnen, in ihrem Kristallgitter zu schwingen. Kurz danach folgt ein Röntgenimpuls, der die jeweilige Position dieser Teilchen abbildet. Die einzelnen Phasen ihrer Bewegungen lassen sich dann wie Schnappschüsse mit einer Kamera einfangen. "Setzen wir diese Einzelbilder am Computer zusammen, entsteht ein bewegtes Bild, das den gesamten Prozess zeigt", erklärt Elsässer.

Was am Bildschirm fürs Auge fassbar abläuft, geschieht original in ultrakurzer Zeit. Die Atome bewegen sich im Bereich von Femto-Sekunden, dem Milliardstel einer Millionstel Sekunde. Dabei sind die Lichtimpulse im Raum gerade einige Tausendstel Millimeter dick, konzentrieren aber bis zu einer Million Megawatt Leistung in sich. Ein großes Atomkraftwerk leistet gerade mal etwa 1000 Megawatt.

Erzeugen lassen sich diese gigantischen elektromagnetischen Energiebündel bislang nur mithilfe hochintensiver Laser unter Laborbedingungen oder durch Teilchenbeschleuniger wie Desy, das Deutschen Elektronen-Synchrotron in Hamburg, Bessy II, den Elektronen-Speicherring in Berlin, oder im National Accelerator Laboratory (SLAC) in Stanford, Kalifornien.

Röntgenlaser der Zukunft

In den röhrenförmigen Anlagen rasen geladene Teilchen durch elektrische Felder und werden dabei fast auf Lichtgeschwindigkeit gertrieben. Es entstehen gewaltige Mengen UV- und Röntgenstrahlen, sogenannte Synchrotronstrahlung. Sie ist zwar sehr intensiv, aber nur mäßig gebündelt.

Um die Strahleigenschaften zu verbessern, entwickeln Forscher bei Desy und SLAC derzeit Freie-Elektronen-Laser, um damit noch intensivere Röntgenimpulse zu erzeugen. Zusätzliche Magnete zwingen die Elektronen auf eine Kurvenbahn, sodass sie noch rasanter schwingen. Zu vergleichen ist das Prinzip mit einem Skifahrer, der in knappen Slalomkurven ins Tal wedelt und dabei viel schneller vorankommt als einer, der in langen Schleifen weit ausholt.

Derzeit plant Desy einen 3,4 Kilometer langen Röntgenlaser, den die Forscher 2012 in Betrieb nehmen wollen. Seine Blitze sollen mehr als eine Milliarde Mal stärker sein als die beste Röntgenquelle, die heute existiert. Sie könnten organische Verbindungen durchstrahlen, um zu beobachten, wie sie an andere Moleküle andocken oder wie Gene, Viren und Enzyme im Körper wirken.