Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Erste ultrakurz gepulste Röntgenstrahlen

15.02.2005


Das violette Licht entsteht aus Heliumatomen, die durch intensives Laserlicht angeregt werden. Der Laserpuls breitet sich entlang der Achse des violetten Flügels (horizontal) durch das Heliumgas aus. Den gleichen Weg nimmt der nicht sichtbare Röntgenstrahl gebündelt in einem Durchmesser von nur einigen hundert Mikrometern. Bild: J. Seres, Technische Universität Wien


Deutsch-österreichisches Physikerteam erzeugt erstmals laserähnliche Röntgenstrahlen, die außergewöhnliche Anwendungsmöglichkeiten versprechen


Das erste kompakte Gerät, das einen laserartigen Röntgenstrahl für eine Wellenlänge von einem Nanometer erzeugt, haben Physiker vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching unter der Leitung von Prof. Ferenc Krausz in Zusammenarbeit mit Kollegen der Technischen Universität Wien und der Universitäten Würzburg und München entwickelt. Damit sind sie dem Traum vieler Radiologen und Biologen von einer kompakten "Lichtquelle", die ultrakurz gepulste Röntgenstahlen in einer Richtung wie Laserlicht aussendet, ein Stück näher gekommen. Die Wissenschaftler sind sich sicher, dass eine solche Quelle es in Zukunft ermöglichen wird, Röntgenbilder mit weit höherer Auflösung bei gleichzeitig stark reduzierter Strahlendosis gegenüber der heutigen Bilderstellung zu erzeugen. Für die Krebsfrüherkennung würde das eine dramatische Reduktion des Risikos bedeuten. Mit einer solchen Strahlenquelle ausgestattete Mikroskope würden es ermöglichen, Biomoleküle in ihrer natürlichen Umgebung mit einer Auflösung im Nanometerbereich zu analysieren (Nature, 10. Februar 2005).

Die Farbe des Lichtes wird durch die Zykluslänge einer elektromagnetischen Welle, der so genannten Wellenlänge, festgelegt. Rotes Licht hat eine Wellenlänge von etwa 700 Nanometern, während violettes Licht mit einer Wellenlänge von etwa 400 Nanometer vom menschlichen Auge gerade noch wahrgenommen wird. Licht mit kürzeren Wellenlängen (ultraviolettes Licht) ist unsichtbar, und wenn sich der Wellenzyklus auf weniger als einen Nanometer verkürzt, ist der Röntgenstrahlenbereich erreicht.


Das deutsch-österreichische Forscherteam fokussierte eine Sequenz von intensiven ultrakurzen Blitzen von rotem Licht auf Heliumgas, um 700-Nanometer Laserlicht in 1-Nanometer Röntgenlicht umzuwandeln, das von den angeregten He-Atomen ausgestrahlt wird. Das hochintensive Laserfeld bewirkt gigantische Oszillationen der negativ geladenen Elektronenwolke um den positiv geladenen Atomkern und verwandelt dadurch die Atome zu Antennen. Wegen der sehr großen Amplituden ihrer Schwingungen, strahlen die Atome nicht nur mit der Wellenlänge des antreibenden Lasers (700 Nanometer) sondern auch mit kürzeren Wellenlängen. Da die Antennen im Gleichtakt durch das Laserfeld angesteuert werden, wird der Zeittakt auch beim Abstrahlen der Wellen beibehalten. Die winzigen "atomaren" Wellen sind zwar außerordentlich schwach, aber sie addieren sich, da sie alle im Takt schwingen. Damit entsteht eine Röntgenwelle von signifikanter Intensität, die in einem gerichteten Strahl parallel zum einfallenden Laserlicht ausgesandt wird.

Das oben beschriebene Phänomen ist nicht neu. Es handelt sich dabei um eine Standard-Technik für die routinemäßige Erzeugung laserähnlicher ultravioletter Strahlung für einen Wellenlängenbereich von 100 Nanometer bis unterhalb von 10 Nanometer. Es wird jedoch immer schwerer, die Grenzen dieser Technologie zu kürzeren Wellenlängen hin zu verschieben, da durch das starke Laserfeld mehr und mehr Elektronen aus den Atomen gerissen werden, die dann den Aufbau einer intensiven Welle aus schwachen "atomaren" Wellen behindern.

Die Arbeitsgruppen haben diese Probleme jetzt gelöst, indem sie die Atome mit den weltweit kürzesten hochintensiven Laserpulsen bestrahlten. Die Pulsdauer betrug nur noch fünf millionstel einer milliardstel Sekunde (= fünf Femtosekunden). Diese Pulse treffen die Atome so abrupt, dass Elektronen vor dem Aussenden der Röntgenstrahlen nicht aus den Atomen gerissen werden können. Dank dieser extrem kurzen Wechselwirkungszeit schafften es die Forscher nicht nur die Nanometerbarriere zu durchstoßen, ihre Röntgenstrahlenquelle dürfte auch erstmalig Röntgenpulse mit einer Pulsdauer von kürzer als 0,1 Femtosekunden (= 100 Attosekunden) realisieren. Der von der neuen Quelle gelieferte Röntgenstrahl ist gegenwärtig noch zu schwach für praktische Anwendungen. Aber die Forscher sind überzeugt, dass technische Verbesserungen die Leistung der Röntgenstrahlen um einige Größenordnungen erhöhen werden. Wenn dieses Kunststück gelungen ist, sind die Forscher überzeugt, dass das neue "Werkzeug" völlig neue Möglichkeiten auf verschiedenen Gebieten der Physik, Biologie und Materialwissenschaften bieten wird. [TN]

Originalveröffentlichung:

J. Seres, E. Seres, A.J. Verhoef, G. Tempea, C. Streli, P. Wobrauschek, V. Yakovlev, A. Scrinzi, C. Spielmann, F. Krausz
Source of coherent kiloelectronvolt X-rays
Nature 433, 596, 10 January February 2005

Dr. Andreas Trepte | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de

Weitere Berichte zu: Nanometer Röntgenstrahl Wellenlänge

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Schnell wachsende Galaxien könnten kosmisches Rätsel lösen – zeigen früheste Verschmelzung
26.05.2017 | Max-Planck-Institut für Astronomie

nachricht 3D-Graphen: Experiment an BESSY II zeigt, dass optische Eigenschaften einstellbar sind
24.05.2017 | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Lässt sich mit Boten-RNA das Immunsystem gegen Staphylococcus aureus scharf schalten?

Staphylococcus aureus ist aufgrund häufiger Resistenzen gegenüber vielen Antibiotika ein gefürchteter Erreger (MRSA) insbesondere bei Krankenhaus-Infektionen. Forscher des Paul-Ehrlich-Instituts haben immunologische Prozesse identifiziert, die eine erfolgreiche körpereigene, gegen den Erreger gerichtete Abwehr verhindern. Die Forscher konnten zeigen, dass sich durch Übertragung von Protein oder Boten-RNA (mRNA, messenger RNA) des Erregers auf Immunzellen die Immunantwort in Richtung einer aktiven Erregerabwehr verschieben lässt. Dies könnte für die Entwicklung eines wirksamen Impfstoffs bedeutsam sein. Darüber berichtet PLOS Pathogens in seiner Online-Ausgabe vom 25.05.2017.

Staphylococcus aureus (S. aureus) ist ein Bakterium, das bei weit über der Hälfte der Erwachsenen Haut und Schleimhäute besiedelt und dabei normalerweise keine...

Im Focus: Can the immune system be boosted against Staphylococcus aureus by delivery of messenger RNA?

Staphylococcus aureus is a feared pathogen (MRSA, multi-resistant S. aureus) due to frequent resistances against many antibiotics, especially in hospital infections. Researchers at the Paul-Ehrlich-Institut have identified immunological processes that prevent a successful immune response directed against the pathogenic agent. The delivery of bacterial proteins with RNA adjuvant or messenger RNA (mRNA) into immune cells allows the re-direction of the immune response towards an active defense against S. aureus. This could be of significant importance for the development of an effective vaccine. PLOS Pathogens has published these research results online on 25 May 2017.

Staphylococcus aureus (S. aureus) is a bacterium that colonizes by far more than half of the skin and the mucosa of adults, usually without causing infections....

Im Focus: Orientierungslauf im Mikrokosmos

Physiker der Universität Würzburg können auf Knopfdruck einzelne Lichtteilchen erzeugen, die einander ähneln wie ein Ei dem anderen. Zwei neue Studien zeigen nun, welches Potenzial diese Methode hat.

Der Quantencomputer beflügelt seit Jahrzehnten die Phantasie der Wissenschaftler: Er beruht auf grundlegend anderen Phänomenen als ein herkömmlicher Rechner....

Im Focus: A quantum walk of photons

Physicists from the University of Würzburg are capable of generating identical looking single light particles at the push of a button. Two new studies now demonstrate the potential this method holds.

The quantum computer has fuelled the imagination of scientists for decades: It is based on fundamentally different phenomena than a conventional computer....

Im Focus: Tumult im trägen Elektronen-Dasein

Ein internationales Team von Physikern hat erstmals das Streuverhalten von Elektronen in einem nichtleitenden Material direkt beobachtet. Ihre Erkenntnisse könnten der Strahlungsmedizin zu Gute kommen.

Elektronen in nichtleitenden Materialien könnte man Trägheit nachsagen. In der Regel bleiben sie an ihren Plätzen, tief im Inneren eines solchen Atomverbunds....

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Meeresschutz im Fokus: Das IASS auf der UN-Ozean-Konferenz in New York vom 5.-9. Juni

24.05.2017 | Veranstaltungen

Diabetes Kongress in Hamburg beginnt heute: Rund 6000 Teilnehmer werden erwartet

24.05.2017 | Veranstaltungen

Wissensbuffet: „All you can eat – and learn”

24.05.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

DFG fördert 15 neue Sonderforschungsbereiche (SFB)

26.05.2017 | Förderungen Preise

Lässt sich mit Boten-RNA das Immunsystem gegen Staphylococcus aureus scharf schalten?

26.05.2017 | Biowissenschaften Chemie

Unglaublich formbar: Lesen lernen krempelt Gehirn selbst bei Erwachsenen tiefgreifend um

26.05.2017 | Gesellschaftswissenschaften