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Vorstoß ins Unbekannte
14.03.2005 | 13:36 Uhr

Welche Wechselwirkungen gibt es zwischen ultrakurz gepulsten Laserstrahlen, die in naher Zukunft Energien im Röntgenbereich erreichen sollen, und den kleinsten Bausteinen unserer Welt, wie einzelnen Atomen, Molekülen oder Ionen? Dieser Frage gehen ab diesem Mai Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Kernphysik in Heidelberg in Kooperation mit dem Fritz-Haber-Institut in Berlin, dem Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme in Dresden, dem Weizmann-Institut in Rehovot (Israel), der Universität Frankfurt, der Universität Freiburg sowie dem Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg, ein Institut der Helmholtz-Gemeinschaft, gemeinsam nach. In einer ersten Serie von Experimenten an dem auf einem Linearbeschleuniger für Elektronen beruhenden "Free Electron Laser" (FEL) am DESY in Hamburg, einer weltweit einmaligen Lichtquelle, wollen die Laserphysiker zunächst mithilfe grundlegender Experimente ausloten, welche Möglichkeiten die Lichtquelle für die zukünftige Forschung eröffnet. Sicher ist bereits jetzt: Sie werden in ihrem Projekt MIDFEL (Max-Planck-Initiative DESY FEL) mit dem neuen Laser in bisher völlig unbekannte Dimensionen der Strahlungs-Materie-Wechselwirkung vorstoßen.


Abb 1.: "Reaktions-Mikroskop": Apparatur zur vollständigen Vermessung aller Fragmente, die entstehen, wenn der intensive FEL-Strahl mit einzelnen Atomen, Molekülen oder Clustern wechselwirkt.
Bild: MPI für Kernphysik

Der neue, am DESY in Hamburg aufgebaute "Free Electron Laser" (FEL) verspricht einen große Fortschritt in der Lichterzeugung. Hundert Jahre nach der Erklärung des Photoeffekts durch Albert Einstein wird der FEL neue Maßstäbe bezüglich der Strahlungsintensität und der Qualität der erzeugten Strahlung setzen. Der FEL wird langfristig vor allem Licht kurzer Wellenlängen, also Röntgenstrahlung liefern. Es sollen Pulse mit einer Länge von nur wenigen Femtosekunden (1 Femtosekunde entspricht 10-15 s) entstehen, die sowohl räumlich als auch zeitlich "kohärent" sind, also das Licht "im Gleichtakt marschiert", gleichphasig und damit u.a. ganz besonders intensiv ist. Beides sind Eigenschaften wie sie bisher nur von Lasern im optischen und nahen Vakuum-Ultraviolett-Licht (VUV)-Bereich bekannt waren. Die Brillanz der Quelle, ein Maß für ihre Intensität unter Einhaltung gewisser Qualitätskriterien, übersteigt diejenige der modernsten "Synchrotron Strahlungsquellen der dritten Generation", um neun Größenordnungen.

"Wir befinden uns damit nicht nur am Rande bekannten Terrains, sondern um Größenordnungen weit von unserem bisherigen Erfahrungshorizont entfernt, mitten in einem absolut neuen, unerforschten Bereich, einer terra incognita der Strahlungs-Materie-Wechselwirkung", sagt Professor Joachim Ullrich vom Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg.

Abb 2.: "Electron Beam Ion Trap" (EBIT): Apparatur zur Erzeugung und zum Speichern von hochgeladenen Ionen, d.h. von Atomen, denen ein Großteil ihrer Elektronen entrissen wurde. Die Maschine ist so ausgelegt, dass man selbst beim Uran-Atom - dem schwersten stabilen natürlichen Element mit 92 Elektronen - alle Elektronen bis auf zwei entfernen kann. Unten: Schemazeichnung. Oben rechts: Elektronenkanone und Halterung. Oben links: Supraleitender Magnet, in dem die Ionen gefangen werden. Wie auf der Schemazeichnung zu erkennen, wird der Magnet nach der Elektronenkanone montiert.
Bild: MPI für Kernphysik

Die Max-Planck-Initiative "DESY-Free Electron Laser" um Ullrich hat nun mehrere Pionierexperimente vorgeschlagen, die alle von den internationalen Gremien genehmigt wurden. Die Messungen sollen zunächst helfen, die vielfältigen grundlegenden Fragen zur Wechselwirkung dieser kurzwelligen, extrem intensiven, vollständig neuen Lichtquelle mit den Bausteinen unserer Welt, mit einzelnen Atomen, Molekülen, Clustern und Ionen, unter Gewinnung größtmöglicher Information aufzuklären und zu verstehen. Sie bilden damit zum einen die Grundlage zahlreicher zukünftiger Experimente im Bereich der Grundlagenforschung, wie z.B. zeitaufgelöster Messungen molekularer Reaktionen ("molecular movie") oder von Präzisionsmessungen zur Quantenelektrodynamik und sind darüber hinaus voraussichtlich für eine Vielzahl weiterer Anwendungen von essenzieller Bedeutung. Diese reichen von der Femtochemie über die Plasmaphysik, die Materialforschung und -bearbeitung bis hin zur Molekularbiologie. Dort erhofft man sich, die Struktur einzelner Biomoleküle in der Gasphase erstmals vermessen und vielleicht sogar Strukturänderungen, wie die Faltung von Proteinen, zeitaufgelöst verfolgen zu können.

Neben der Erforschung der grundlegenden Wechselwirkung der FEL-Strahlung mit Materie ist es auch Ziel von MIDFEL, erste wichtige Ergebnisse in drei verschiedenen Forschungsrichtungen, die dann längerfristig verfolgt werden sollen, zu erzielen. Hierzu wurden insgesamt vier komplexe Apparaturen am MPI für Kernphysik sowie am Fritz-Haber-Institut in Berlin aufgebaut und getestet; sie stehen mit Beginn des offiziellen Benutzerbetriebs am VUV-FEL zur Verfügung.

Zum einen gilt es, mittels so genannter Reaktionsmikroskope neuartige nicht-lineare Prozesse in der Wechselwirkung mit Atomen, Molekülen und Clustern zu vermessen und bereits existierende theoretische Vorhersagen zu den einfachsten Systemen mit nur zwei aktiven Elektronen zu testen. Dieser Vergleich bildet die Basis für das Verständnis komplexerer Vorgänge, wenn nämlich diese Strahlung mit größeren Molekülen, mit Oberflächen oder Festkörpern wechselwirkt. Letztlich sollte es, in Kombination mit phasenkorrelierten optischen Lasern möglich werden, korrelierte elektronische Prozesse in Atomen auf einer Zeitskala von weniger als 100 Attosekunden (10-18 s) zu verfolgen.

In einem weiteren Experiment sollen einzelne Moleküle zunächst zu einem bestimmten Zeitpunkt so angeregt werden, dass sie in ihre atomaren Bestandteile zerfallen. Der zeitumgekehrte Prozess, das Zusammenfinden von Atomen zu Molekülen, ist nichts anderes als die Entstehung einer chemischen Bindung. Während des Zerfalls kann nun das Molekül zu fest definierten jedoch variablen Zeiten durch die FEL-Strahlung "beobachtet" werden, sodass die Vision Wirklichkeit zu werden scheint, eine chemische Reaktion in Echtzeit zu verfolgen - gleichsam wie in einem Film.

Abb 3.: Apparatur zur Erzeugung von Molekülionen im Zustand geringster Schwingungsenergie. Oben rechts: Ionenquelle, in der die Ionen erzeugt werden. Oben links: Ionenfalle: Hier werden die Ionen so lange gefangen, bis sie sich entsprechend abgekühlt haben. Vorne: Die Ionen werden aus der Falle entlassen, bewegen sich von links nach rechts und wechselwirken schließlich mit dem FEL-Strahl.
Bild: MPI für Kernphysik

Zum zweiten soll die Quanten-Elektrodynamik, diejenige Theorie, welche die präzisesten Vorhersagen in der Physik trifft, mit bisher unerreichter Genauigkeit im Bereich starker elektrischer und magnetischer Felder getestet werden. Solchen Feldern, bis hin zu 1016 Volt pro Zentimeter, sind Elektronen auf den innersten Bahnen schwerer Atome ausgesetzt. Eine eigens entwickelte Apparatur, eine so genannte "Electron Beam Ion Trap" (EBIT), ionisiert diese Atome durch intensiven Beschuss mit Elektronen, sodass nur wenige, typischerweise ein bis vier Elektronen übrig sind. Gleichzeitig werden die so entstandenen "hochgeladenen Ionen" in einer Falle gefangen gehalten und der intensiven FEL-Stahlung ausgesetzt. Die damit erzeugten elektronischen Übergänge auf den innersten Bahnen von schweren Ionen werden dann mit höchster Präzision vermessen.

Zum dritten erhofft man sich, die durch das VUV-Licht induzierte Molekülfragmentation erstmals präzise zu vermessen. Solche Reaktionen sind für die Chemie interstellarer Wolken sowie der oberen Atmosphäre der Erde von enormer Bedeutung. Die hochpräzisen Messungen werden helfen, theoretische Modellrechnungen, deren Vorhersagen zum Teil um mehr als eine Größenordnung voneinander abweichen, zu testen. Hierzu wurde ebenfalls eine eigene Apparatur entwickelt, in der zunächst Molekülionen so lange in einer Falle gespeichert werden, bis sie sich im Zustand geringster Schwingungsenergie befinden. Sie werden dann aus der Falle extrahiert und im intensiven FEL-Strahl in einen hohen, elektronisch angeregten Energiezustand gebracht, in dem das Molekül nicht mehr stabil ist. Die daraufhin entstehenden Fragmente werden schließlich durch so genannte bildgebende Verfahren nachgewiesen, sodass die möglichen Reaktionskanäle vollständig charakterisiert sind. Solche Messungen waren bisher ebenfalls aufgrund mangelnder Intensität an Synchrotron-Strahlungsquellen der dritten Generation nicht möglich.

"Auch wenn sich viele der Visionen vielleicht nicht unmittelbar realisieren lassen, so erwartet uns doch im Jahr der Physik 2005, ein Jahrhundert nach Einsteins genialer Interpretation des Photoeffekts, eine Periode aufregender Experimente an einer Lichtquelle, die alles bisher da Gewesene buchstäblich in den Schatten stellt, sagt Joachim Ullrich.

Quelle: Pressemitteilung Max-Planck-Gesellschaft





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