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Teilchen und Strahlung

Mit ultrakurzen Blitzen die Natur "fotografieren"

Ein Millionstel einer Milliardstel Sekunde - so unvorstellbar kurze Röntgenpulse konnten nun Physiker erstmals messen. Damit aber nicht genug: Dieser Erfolg ebne den Weg zu noch kürzeren Blitzen, womit sich extrem schnelle Prozesse in der Natur beobachten ließen, schreiben die an der TU München tätigen österreichischen Forscher.

Physik 25.11.2014

Sehr kurze Röntgenblitze sind ein wichtiges wissenschaftliches Werkzeug. Damit können extrem kleine Strukturen bis hin zu einzelnen Atomen beobachtet werden.

Messmöglichkeit gefunden

Mit zwei schnell aufeinanderfolgenden Blitzen können sogar strukturelle Veränderungen von Molekülen während einer Reaktion verfolgt werden: Der erste Blitz löst dabei die Reaktion aus, der zweite vermisst die Veränderung. Voraussetzung dafür ist, dass die genau Dauer und der zeitliche Verlauf der Röntgenpulse bekannt sind.

Für ultrakurze Röntgenblitze gab es bisher aber noch keine Möglichkeit zur Messung. Der aus Salzburg stammende Physiker Reinhard Kienberger, und der Oberösterreicher Wolfram Helml, beide von der TU München, haben gemeinsam mit Kollegen am US-Beschleunigerzentrum SLAC Stanford Linear Accelerator Center in Kalifornien nun eine Methode dafür entwickelt.

0,3 Nanometer am Weg zum Mond

Sie veränderten dafür ein bereits etabliertes Messverfahren für ultrakurze Lichtblitze. Vereinfacht gesagt, wird dabei die Beschleunigung von Elektronen aus Gasatomen gemessen, die durch die Röntgenblitze freigesetzt werden. Mit dieser Methode stellten die Wissenschaftler fest, dass die mit sogenannten "Freien-Elektronen-Laser" erzeugten Röntgenblitze nicht länger als 4,5 Femtosekunden dauern.

Ein solcher Blitz weist außerdem mehrere noch kürzere Röntgenspitzen auf, deren genaue Zahl und Intensität von Puls zu Puls variiert. Auch hier gelang den Forscher die Messung. Sie konnten zeigen, dass diese ultrakurzen Spitzen gerade einmal 800 Attosekunden dauern. "Während das Licht in einer Sekunde von der Erde fast bis zum Mond kommt, legt es in einer Attosekunde gerade einmal 0,3 Nanometer zurück", vergleicht Kienberger die nur schwer vorstellbaren Zeitverhältnisse.

"Naturfotographie" und Krebstherapie

Wozu aber sollen solche ultrakurzen Röntgenpulse gut sein? Die Physiker hoffen, dass man damit noch schnellere Prozesse in der Natur "fotografieren" könnte, etwa die Bewegung von Elektronen um Atomkerne.

Außerdem könnten die Pulse aufgrund ihrer extrem hohen Intensität - die am SLAC erzeugten Pulse haben eine Leistung von 100 Gigawatt, allerdings eben nur für extrem kurze Zeit - auch in der Krebstherapie zur Zerstörung von Tumoren eingesetzt werden.

science.ORF.at/APA

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