Der erste atomare Röntgenlaser

Eine neue Perpektive auf die Nanowelt: Freie-Elektronen-Laser entlockt Neongas besonders kurze und scharfe Röntgenpulse

Wie aus der Energie des Sonnenlichts in Pflanzen Zucker oder in Solarzellen Strom wird, dürfte sich künftig genauer beobachten lassen. Forscher des Hamburger Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) haben am kalifornischen Forschungszentrum SLAC den ersten Röntgenlaser auf Atom-Basis konstruiert. Mithilfe von Neonatomen erzeugten sie ultrakurze Röntgenblitze von einzigartiger Farbreinheit. Solche Laserpulse erlauben es etwa, den Ladungstransport bei der Fotosynthese mit atomarer Auflösung zu studieren, um ihn möglicherweise in technischen Systemen nachzuahmen. Auch über die elektronischen Prozesse in fotovoltaischen Elementen können Physiker mithilfe des atomaren Röntgenlasers mehr erfahren. Das könnte letztlich dazu beitragen, effizientere Solarzellen zu entwickeln.

Eine Filmkamera für chemische Reaktionen

Die Röntgenlaser auf Basis freier Elektronen und auf Atombasis sind einerseits für unterschiedliche Aufgaben geeignet, sie können andererseits aber auch sehr gut zusammenarbeiten: Ihre Röntgenblitze besitzen unterschiedliche Wellenlängen, sodass ein Zweifarben-Röntgenlaser entsteht, bei dem beide Pulse optimal synchronisiert sind. „Das können wir nutzen, um mit einem Puls einen Prozess zu starten – wie etwa eine chemische Reaktion oder Anregung oder eine Strukturumwandlung in einem Festkörper – und diesen Prozess dann mit dem Puls anderer Farbe nach einer bestimmten Zeit abzulichten“, erklärt Nina Rohringer. Führt man dabei einen der Pulse über einen fest definierten Umweg, lässt er sich um eine gewünschte kurze Zeitspanne verzögern, um etwa verschiedene Stadien einer chemischen Reaktion abzulichten. Da beide Pulse zeitgleich erzeugt werden, lässt sich diese Zeitspanne genau bestimmen.

Am Hamburger CFEL möchte Rohringer den atomaren Röngtenlaser nun weiterentwickeln: „Wir untersuchen beispielsweise, wie wir zu noch höheren Energien gehen können, und ob es auch möglich ist, Moleküle, etwa Sauerstoff, statt Neonatomen als Lasermedium zu nutzen.“ Auf diese Weise könnte ein Röntgenlaser entstehen, der kurze und Pulse scharf definierter Wellenlänge erzeugt und dabei eine größere Bandbreite von Wellenlängen abdeckt. Das ist eine Voraussetzung, um spektroskopische Untersuchungen vorzunehmen, die nur mit Licht variabler Wellenlänge möglich sind.

TM/PH

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Über LCLS

Der Röntgenlaser LCLS (Linac Coherent Light Source) ist eine vom US-Energieministerium finanzierte Großforschungsanlage am Beschleunigerzentrum SLAC in Kalifornien. LCLS ist der erste Freie-Elektronen-Laser für harte Röntgenstrahlung und eröffnet Forschern den Blick auf atomare Details und ultrakurze Prozesse in der Nanowelt. LCLS ermöglicht wegweisende Forschung in der Physik, der Chemie, der Strukturbiologie, der Energieforschung und auf zahlreichen weiteren Feldern.

Über das CFEL

Das Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) auf dem Forschungscampus Hamburg-Bahrenfeld ist eine Kooperation des Deutschen Elektronen-Synchrotrons DESY, der Max-Planck-Gesellschaft und der Universität Hamburg. Es beschäftigt sich mit der Forschung an sogenannten Freie-Elektronen-Lasern (FEL). Diese neuartigen Lichtquellen auf der Basis von linearen Teilchenbeschleunigern ermöglichen, die Natur auf der Skala einzelner Moleküle und Atome live zu beobachten. Unter dem Dach des CFEL treffen sich führende Forscher verschiedener Disziplinen, um gemeinsam an übergreifenden Themen zu arbeiten. Die gegenwärtig über 140 CFEL-Mitarbeiter bilden dabei fünf Divisionen und zwei sogenannte Advanced Study Groups mit einem Jahresetat von insgesamt mehr als zehn Millionen Euro.