Ludwig-Maximilians-Universität München
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Attosekundenphysik

4D-Filme mit ultrakurzen Elektronenblitzen

München, 27.10.2015

Physiker der LMU verkürzen Elektronenblitze auf unter 30 Femtosekunden. Damit gewinnen sie detaillierte Einblicke in die Bewegungen von Atomen in Molekülen.

Treffen auf ein Biomolekül-Kristall ultrakurze Elektronenblitze, werden diese daran gestreut. Für jedes Biomolekül ergibt sich so ein charakteristisches Beugungsbild. Bild: Alexander Gliserin

Physiker am Lehrstuhl für Experimentalphysik der LMU unter der Leitung von Professor Ferenc Krausz und des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik ist es gelungen, Elektronenblitze bis auf rund 28 Femtosekunden Dauer zu verkürzen. Eine Femtosekunde ist ein Millionstel einer milliardstel Sekunde. Mit diesen Verschlusszeiten ist es nun möglich, die grundlegenden Bewegungen von Atomen in Molekülen und Festkörpern, ähnlich der Stroboskoptechnik, während einer chemischen Reaktion direkt zu beobachten und dann aus den Bildern einen Film zu erstellen.

Scharfer Schnappschuss der Bewegung

Elektronen sind sonderbare Teilchen: Sie haben sowohl Wellen- als auch Teilcheneigenschaften. Dieses Phänomen macht sich seit rund einem Jahrhundert die Elektronenmikroskopie zu Nutze, und gewährt so einen direkten Blick auf die fundamentalen Bausteine von Materie, die Moleküle und Atome. Lange Zeit lieferte die Technik nur Standbilder, doch seit einigen Jahren machen Forscher enorme Fortschritte in der Kurzpuls-Lasertechnologie. Mit ihrer Hilfe erzeugen sie Elektronenblitze, die, ähnlich der Verschlusstechnik in der Fotografie, mit ihrem kurzen Aufleuchten extrem scharfe Bilder von sich bewegenden Atomen und Elektronen liefern. Dennoch blieben manche dieser ultraschnellen Prozesse immer noch unscharf.

Denn wer den Mikrokosmos und seine Dynamik erforschen will, benötigt eine Hochgeschwindigkeitskamera für Atome. Um die Bewegungen dieser Teilchen während einer Reaktion scharf abzubilden, benötigt man Verschlusszeiten im Bereich von Femtosekunden. Genauso schnell verläuft das Geschehen in chemischen Reaktionen und Festkörpern ab. Femtosekunden-lange Verschlusszeiten stellt die Kurzpulslasertechnik zur Verfügung, aber Laserlicht kann die Atome nicht räumlich auflösen.

Die Elektronenblitze, die das Forscherteam vom Labor für Attosekundenphysik nun erzeugen konnten, sind mit 28 Femtosekunden sechsmal kürzer, als bisher erzeugte Elektronenblitze. Die Länge der Materiewellen ist nur rund acht Pikometer; ein Pikometer ist ein billionstel Meter. Aufgrund dieser kurzen Wellenlänge lassen sich bei Beugungsexperimenten selbst einzelne Atome erkennen. Treffen Elektronen auf ein Molekül oder Atom, werden sie aufgrund ihrer kurzen Wellenlänge unterschiedlich stark abgelenkt und erzeugen so am Detektor ein Interferenzmuster, aus dem man die atomare 3D-Struktur der Probe rekonstruiert. Sind die Impulse kurz genug, entsteht ein scharfer Schnappschuss der Bewegung.

Atomare Bewegung in vier Dimensionen

Um die neue Technik zu testen, haben die Physiker die Elektronenblitze in einem Beugungsexperiment an einem Biomolekül verwendet. Künftig sollen diese Elektronenblitze in Anrege-Abfrage-Experimenten eingesetzt werden. Dabei wird ein optischer Laserpuls auf ein Molekül geschickt, wodurch es zu einer Reaktion angeregt wird. Kurz darauf trifft der Elektronenblitz auf die Probe und erzeugt ein Beugungsbild von der momentanen Struktur. Extrem viele solcher Schnappschüsse bei unterschiedlichen Verzögerungszeiten zwischen Laser- und Elektronenblitzen ergeben dann einen Film von der atomaren Dynamik. Mit der Elektronenblitz-Technologie erhält man daher nicht nur ein räumliches Bild der atomaren Struktur, sondern zusätzlich einen Einblick in ihre Dynamik. Insgesamt gewinnt man so einen vierdimensionalen Eindruck von Molekülen und deren Atombewegungen während einer Reaktion.

„Mit unseren Elektronenblitzen sind wir nun in der Lage, sehr viel detailreichere Einblicke in die Vorgänge in Festkörpern und Molekülen zu gewinnen als bisher“, erklärt Dr. Peter Baum, der Leiter des Experiments. „Wir können nun die schnellsten bekannten atomaren Bewegungen in vier Dimensionen, nämlich in Raum und Zeit, aufzeichnen“, sagt er. Nun wollen die Physiker die Dauer der Elektronenblitze noch weiter verkürzen, denn je kürzer die Verschlusszeiten werden, desto schnellere Bewegungen wird man aufzeichnen. Ziel der Forscher ist es, die noch schnelleren Bewegungen von Elektronen in angeregten Atomen mit ihren Elektronenblitzen eventuell beobachten zu können.

(Nature Communications 2015)