Der Bewegung von Atomen und Molekülen auf der Spur

Internationale Wissenschaftlerkollaboration, darunter das Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie, stellt technische Neuerungen zur Visualisierung ultrakurzer Prozesse vor

Was bei atomaren und molekularen Prozessen im Zeitraum von wenigen Femtosekunden geschieht, untersucht zurzeit ein internationales Konsortium von 18 Forschungslaboratorien, darunter eine Emmy-Noether-Nachwuchsgruppe vom Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie in Göttingen. Bisher entziehen sich diese sehr schnellen Vorgänge allen Beobachtungsmethoden. Die Wissenschaftler haben dazu nun zwei Arbeiten veröffentlicht. Ihre Studien beschreiben wichtige technische Schritte auf dem Weg zur Verwendung von Licht extrem kurzer Wellenlänge, also von Röntgenstrahlung, aus so genannten freien Elektronenlasern (XFELs) bei der Untersuchung von schnell ablaufenden atomaren Vorgängen. (Phys. Rev. Lett. 94, 2005 und Science 308, 392, 2005).

Freie Elektronenlaser (XFELs) versprechen einen großen Fortschritt in der Lichterzeugung. Die Laser werden langfristig vor allem Licht sehr kurzer Wellenlängen, also Röntgenstrahlung, liefern. Es sollen Pulse mit einer Länge von nur wenigen Femtosekunden entstehen, die sowohl räumlich als auch zeitlich „kohärent“ sind, sodass das Licht also „im Gleichtakt marschiert“, gleichphasig und damit u.a. ganz besonders intensiv ist. Solche Röntgenpulse würden die Untersuchung der Dynamik von Materie in einer bisher nicht erreichbaren Zeitdimension erlauben. Dabei sollen sie ermöglichen, beispielsweise Umwandlungen von kondensierter Materie auf der Zeitskala atomarer und molekularer Bewegungen, nämlich in Femtosekunden (eine Femtosekunde ist ein Millionstel einer Milliardstel Sekunde), zu verfolgen.

Um atomare Prozesse, die sich in diesen kurzen Zeitskalen abspielen, auflösen zu können, sind noch zahlreiche technische Entwicklungen und Vorarbeiten notwendig, die die internationale Arbeitsgruppe an Fallstudien sowie Demonstrationsexperimenten zurzeit am Stanford-Linearbeschleuniger in Kalifornien durchführt. Die amerikanische Röntgenquelle SPPS (Subpicosecond X-ray Source) kann Röntgenpulse erzeugen, die kürzer als 100 Femtosekunden sind. Sie ist damit eine Art Prototyp eines Freien Elektronenlasers im harten Röntgenbereich und momentan die Quelle mit der höchsten Qualität für ultrakurze Röntgenpulse. Am SPPS verwendeten die Wissenschaftler erstmalig komprimierte Elektronenpulse, um Femtosekunden-Röntgenpulse im Energiebereich von 8.5 – 9.5 Kiloelektronenvolt zu erzeugen. Über 50 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus sechs Ländern waren an den Vorversuchen beteiligt. Die ersten Resultate veröffentlichten sie jetzt in den Fachjournalen Physical Review Letters und Science.

Die experimentellen und technischen Schwierigkeiten bei der Beobachtung solch kurzer Vorgänge sind vielfältig. Um beispielsweise strukturelle Umwandlungen von Materie während chemischer Reaktionen zu untersuchen, sollte die Reaktion zu einem genau definierten Zeitpunkt gestartet werden. Ein solch genaues Starten einer Reaktion ist am besten mit einem optischen Laserpuls möglich, der selbst nur einige Femtosekunden lang dauert. Die Ankopplung eines solchen Lasers an den Linearbeschleuniger ist bereits technisch möglich und für Pikosekunden-Zeitskalen realisiert. Für kürzere Zeiten allerdings betreten die Wissenschaftler zurzeit technisches Neuland. In der ersten Arbeit zu dieser Problematik konnten sie jetzt zeigen, dass es mithilfe der Methode der so genannten elektro-optischen Abtastung (EO) möglich ist, die zufällige Zeitverschmierung zwischen optischem Laserpuls und Röntgenpuls auf unter 100 Femtosekunden genau zu bestimmen.

In der zweiten Arbeit wurde erstmalig bewiesen, dass es mit der Röntgenquelle SPPS möglich ist, direkt die strukturellen Änderungen eines Phasenüberganges von einem geordneten Festkörper in eine ungeordnete Flüssigkeit zu verfolgen. Beispielhaft untersuchten die Forscher den nicht-thermischen, photo-induzierten Phasenübergang des Halbleiters Indiumantimonid (InSb) vom festen in einen flüssigen Zustand. Bei diesem Prozess verändert sich die Struktur des Halbleiters so, dass er auf einer ultraschnellen Zeitskala scheinbar „flüssig“ wird.

Die Untersuchung dieses Prozesses ist von fundamentalem Interesse, da Indiumantimonid auf vielfältige Weise in der Halbleiterelektronik eingesetzt wird. Transformationszeiten für diesen Phasenübergang liegen unter 100 Femtosekunden. Die Ergebnisse deuteten die Forscher so, dass in den ersten hundert Femtosekunden durch die Anregung mit dem optischen Laserpuls die kovalenten Bindungen, also die Bindungen, die durch gemeinsame Elektronenpaare zwischen Atomen eines Moleküls bestehen, im Festkörper gebrochen werden, während sich die Kerne ungestört thermisch weiterbewegen. Dieser Zustand gleicht dann einem Übergang zwischen fester und flüssiger Phase, wobei die Kerne nach dem photo-induzierten Bindungsbruch in der ungeordneten Phase auf einer abgeflachten angeregten Energiefläche relaxieren, ohne dass Prozesse gefunden wurden, die für eine reine flüssige Phase typisch wären. Das Besondere an den veröffentlichten Experimenten ist, dass sie in Einzelschussexperimenten von einzelnen Röntgenpulspaketen aufgenommen wurden. Damit konnte die größtmögliche Zeitauflösung der SPPS-Quelle für diese Experimente ausgenutzt werden. In Kombination mit dem so genannten EO-Experiment, ist es so möglich, mit Röntgenpulsen, die mit Linearbeschleunigern erzeugt wurden, zeitaufgelöste Röntgenexperimente mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung durchzuführen.