Am Puls der Röntgenstrahlung

Neues Kapitel in der Kontrolle der Zeitstruktur harter Röntgenstrahlung

Röntgenstrahlen sind für die Analyse von Kristallstrukturen ebenso unentbehrlich wie für den Blick auf das menschliche Skelett. Bisher war es aber praktisch nicht möglich, molekulare Reaktionen festzuhalten. Die Kontrolle gepulster Röntgenstrahlung eröffnet neue Wege.

Matthew F. DeCamp von der University of Michigan in Ann Arbor und zehn amerikanische Kollegen von den Argonne National Labs in Illinois sowie dem Colby College, Waterville in Maine präsentieren ihre Ergebnisse zur kohärenten Kontrolle gepulster Röntgenstrahlung in der neuesten Ausgabe des Wissenschaftsmagazins Nature. Moleküle in ihren Reaktionen zu beobachten, könnte durch diese Entdeckung der Physiker in nächster Zeit Realität werden. Chemiker und Biologen können jetzt die eingesetzte Röntgenstrahlen sehr schnell an- und abschalten, um die atomare Bewegung sozusagen einzufrieren, d.h. von jeder Phase eine Aufnahme zu machen, und dadurch die Strukturen für die Analyse sichtbar zu machen. Die dynamischen Veränderungen der Molekülstruktur während chemischer und biochemischer Reaktionen können genau aufgenommen werden. Die Forscher sind zuversichtlich, dass ihre Entdeckung neue Wege für künftige Anwendungen in unvorstellbar kurzen Zeiteinheiten eröffnen:

Wir erwarten, dass diese Techniken maßstabsgetreu angewandt werden können, um Röntgenstrahlen im Sub-Pikosekundenbereich zu produzieren.

Das rasche An- und Abschalten verteilt die Energie zwischen zwei Röntgenstrahlen entsprechend um. Die Transmission von Röntgenstrahlen durch einen Germaniumkristall wird reguliert, indem im Kristall akustische Wellen mit einem Femtosekunden-Laserpuls erzeugt werden. Der Energiefluss wird kontrolliert, indem die Forscher die Verzögerung zwischen dem Laserpuls und den zu steuernden Röntgenstrahlen bestimmen. Die Forscher benutzten eine ultraschnelle Laser-Quelle, die wie ein Hammer auf die Oberfläche eines Kristalls schlägt und einen akustischen Puls erzeugt, der sowohl zeitlich wie räumlich sehr begrenzt ist. DeCamp weist nachdrücklich auf die komplexen Möglichkeiten der neuen Aufnahmetechnik hin, die selbst Schockwellen auf ihrem Weg durch ein Material verfolgen kann: "Wenn wir Röntgenstrahlung sehr schnell an- und ausschalten können, haben wir die Möglichkeit einen ultraschnellen Röntgen-Puls zu generieren, der dazu benutzt werden kann, um die Dynamik sehr komplexer Systeme zu studieren - eigentlich von allem, dass in eine Kristallform gebracht werden kann, wie z.B. Proteine."

Ferenc Krausz und Christian Spielmann von der Technischen Universität Wien stellen in einem begleitenden News-and-Views-Artikel in Nature fest, dass Wissenschaftler schon lange nach einer Möglichkeit suchen, die Bewegungen auf der Skala der Distanz zwischen Atomen sichtbar machen zu können. Sie sind sich sicher:

Die Arbeit von DeCamp und Kollegen öffnet ein völlig neues Kapitel in der Kontrolle der Zeitstruktur harter Röntgenstrahlung. (...) Es gibt noch viele Herausforderungen wie z.B. die Verkürzung der Schalt-Zeit durch Verwendung elektronischer Anregung und die Verbesserung der Schaltungs-Effektivität, um Röntgenpulse mit gutem Kontrast zu produzieren. Aber wenn diese Probleme einmal gelöst sind, könnte eine solche ultraschnellen Schaltung eine Schlüsselkomponente in der Röntgenstrahl-Technik werden, um die strukturelle Dynamik der Materie zu überprüfen.

(Andrea Naica-Loebell)