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Ultrakurze Blitze aus Röntgenlicht

Attosekunden-Hürde überwunden: Elektronen bald sichtbar

Von Rainer Scharf

Mit extrem kurzen Lichtpulsen kann man beobachten, wie sich die Atome in den Molekülen bewegen und wie chemische Bindungen zwischen den Atomen entstehen oder aufbrechen. Selbst die schnellsten molekularen Vorgänge erscheinen wie eingefroren, wenn die Atome von Lichtpulsen beleuchtet werden, die nur einige Femtosekunden (10-15 Sekunden) dauern. Aus der Abfolge solcher Schnappschüsse läßt sich rekonstruieren, welche Vorgänge sich in den Molekülen abspielen. Dabei können die Moleküle sogar recht komplex sein, wie Experimente zeigen, die japanische Wissenschaftler an Bakteriorhodopsin ausgeführt haben. Dies ist ein auf Licht ansprechendes Protein in der sogenannten Purpurmembran bestimmter Bakterien.

Die Forscher um Takayoshi Kobayashi von der Universität von Tokio haben untersucht, wie das Bakteriorhodopsin bei Belichtung seine Gestalt ändert ("Nature", Bd. 414, S. 531). Bei dieser sogenannten Cis-trans-Photoisomerisierung ordnen sich die chemischen Bindungen um. Die Forscher haben den Vorgang beobachtet, indem sie die Bewegungen bestimmter Atome verfolgten. Dazu bestrahlten sie das Molekül mit sichtbaren Lichtpulsen, die weniger als fünf Femtosekunden dauerten. Es zeigte sich, daß die Gestaltänderung des Bakteriorhodopsins über einen Zwischenzustand erfolgte, in dem das Molekül einige hundert Femtosekunden lang verharrte.

Lichtpulse, die nur einige Femtosekunden dauern, stellt man mit einem sogenannten phasengekoppelten Laser her. Im Innern dieses Lasers sind viele Lichtschwingungen unterschiedlicher Wellenlänge angeregt, die miteinander interferieren. An einer Stelle verstärken sich die Lichtwellen, überall sonst löschen sie sich gegenseitig aus. Es bildet sich ein winziger Lichtfleck, der sich hin und her bewegt. Der Laser gibt daraufhin in periodischen Abständen Lichtblitze ab. Mit speziellen Spiegeln kann man die Pulse zusätzlich komprimieren. Trifft ein Lichtpuls auf solch einen Spiegel, verlangsamt sich während der Reflexion die Front des Pulses im Vergleich zu dessen Ende. Er wird gestaucht, und seine Dauer verkürzt sich.

Will man mit sichtbarem Licht Pulse herstehen, die kürzer als eine Femtosekunde sind, so stößt man auf Schwierigkeiten. Denn die Pulsdauer müßte kürzer sein als die Zeit, die das sichtbare Licht für eine einzelne Schwingung benötigt. Da ein Puls mindestens eine Schwingung enthalten muß, sind solche extrem kurzen Pulse aus sichtbarem Licht nicht möglich. Statt dessen benutzt man Röntgenlicht, das viel schneller schwingt und während der Dauer eines Pulses mehrere Schwingungen vollenden kann.

Die bislang kürzesten Röntgenpulse haben jetzt Ferenc Krausz von der Technischen Universität Wien und seine Mitarbeiter erzeugt. Die Pulse dauerten nur rund 500 Attosekunden oder eine halbe Femtosekunde ("Nature", Bd. 414, S. 509). Die Forscher stellten die Röntgenblitze her, indem sie Femtosekunden-Pulse aus sichtbarem Licht auf ein Gas von Neonatomen richteten. Die Lichtblitze entrissen den Atomen ihre Elektronen und schüttelten die Teilchen hin und her. Prallten die Elektronen wieder mit den ionisierten Atomen zusammen, so wurde neben sichtbarem Licht auch Röntgenlicht abgestrahlt.

Daß die Röntgenpulse wesentlich kürzer waren als die sichtbaren Lichtpulse, durch die sie angeregt wurden, läßt sich gut nachvollziehen. Jeder Puls des sichtbaren Lichts entriß den Atomen die Elektronen genau dann, wenn die Atome von den Wellenbergen und den -tälern der Lichtwelle getroffen wurden. Die Elektronen wurden deshalb während jedes Lichtpulses in mehreren Schüben freigesetzt. Auf diese Weise erzeugte jeder Lichtpuls eine Reihe von extrem kurzen Röntgenpulsen, die in regelmäßigem Abstand aufeinanderfolgten. Mit einem speziellen Filter haben die Forscher aus diesen Röntgenpulsen genau einen herausgefiltert. Dadurch gelang es ihnen, mit jedem sichtbaren Lichtpuls einen Röntgenpuls herzustellen, der weniger als eine Femtosekunde dauerte.

Die Wissenschaftler haben mit ihren ultrakurzen Röntgenpulsen erste Experimente gemacht. Sie bestrahlten ein Gas von Kryptonatomen zugleich mit den sichtbaren Lichtpulsen und den von ihnen erzeugten Röntgenblitzen. Die Röntgenpulse durchliefen dabei einen kleinen Umweg von weniger als einem tausendstel Millimeter, der in winzigen Schritten verändert werden konnte. Deshalb kamen sie um einige hundert Attosekunden später bei den Atomen an als die Lichtpulse. Von den Pulsen getroffen, verloren die Kryptonatome ihre Elektronen. Die Energie der freigewordenen Teilchen wurde anschließend gemessen. Sie hing von der Länge des Umweges und damit von der Zeitspanne ab, um die die Röntgenpulse gegenüber den Lichtpulsen verzögert waren. Auf diese Weise konnten die Forscher die Dauer der Röntgenpulse auf etwa hundert Attosekunden genau bestimmen.

Noch sind große Schwierigkeiten zu überwinden, will man mit den ultrakurzen Röntgenpulsen Vorgänge im Attosekundenbereich ebenso genau verfolgen, wie es jetzt schon mit sichtbaren Lichtpulsen im Femtosekundenbereich möglich ist. Dies liegt vor allem daran, daß sich Röntgenstrahlen wesentlich schwieriger handhaben lassen als sichtbares Licht. Die Röntgenpulse eröffnen indes den Zugang zu einer Welt, die bisher weitgehend verborgen war. Mit ihrer Hilfe könnte man die Bewegung der Elektronen in den Atomen verfolgen. 

Frankfurter Allgemeine Zeitung, 29.12.2001, Nr. 302 / Seite 38

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