Röntgenstrahlen um 100 Femtosekunden schneller

Röntgenstrahlquellen von Lasern oder Synchrotronlicht haben sich als gute Werkzeuge für die Untersuchung molekularer und anderer mikroskopischer Strukturen in Biologie, Chemie und Festkörperphysik erwiesen. Im Rahmen des europäischen FAMTO-Projekts wurde ein Röntgenstrahl-Laser mit viel schnellerer Zeitauflösung entwickelt, der neue Forschungsmethoden bei der Untersuchung von vorübergehenden Veränderungen und ultraschnellen Reaktionsdynamiken ermöglicht.

Das FAMTO-Projekt stellte sich der doppelten Herausforderung, die Leistung im Hinblick auf die Zeitauflösung sowie den unzureichenden Zugang zu Infrastrukturen wie großen Lasereinrichtungen, Synchrotronen und Röntgenstrahlquellen zu verbessern. Die Lösung wurde in Form einer Röntgenforschungsstation gefunden, die zu Röntgenstrahlen mit einer Zeitauflösung von Subpikosekunden (ps) fähig ist.

Die im Rahmen des Projekts entwickelte Technologie liefert eine Alternative für den Bedarf an begrenzter Strahlungsverfügbarkeit, der durch multidisziplinäre Forschung und neue Anwendungen hervorgerufen wird. Die Röntgenstrahlungsstation ist in der Lage, Experimente zur Strahlungsbeugung mit einer Zeitauflösung von 100 Femtosekunden (fs) durchzuführen, wobei eine Femtosekunde der millionste Teil einer Nanosekunde ist. Die ultraschnelle Arbeitsstation enthält einen leistungsstarken (10 Megajoule – 10MJ) und schnellen (50fs mit 1kHz Wiederholung) Laser und eine Röntgenstrahlquelle, die ebenfalls mit 1kHz arbeitet.

Die erzeugten Röntgenstrahlen werden durch ein Toroiden-Kristall auf eine Sonde gebündelt, die auf einem Röntgendiffraktometer befestigt ist. Eine Standard-Röntgenröhre kann dann für Tests und konventionelle Messungen sowie zur Einstellung der Ausrichtung anhand eines Saphire II Detektors genutzt werden. Einmal eingestellt, kann die Sonde sichtbaren Pump-Probe-Experimenten ausgesetzt werden. Dabei werden die ultraschnelle Röntgenstrahlquelle und ein photonenzählender Princeton-Röntgenstrahldetektor genutzt. Der Detektorarm kann um 180° gedreht werden, um Diffraktions-Experimente in jede beliebige kristallographische Richtung anhand der Bragg- und Laue-Geometrie zu ermöglichen.

Das Projektteam betont die Notwendigkeit weiterer Mittel und einer Unterstützung innerhalb Europas, um den Prototyp weiter zu entwickeln. Die Erfindung hat großes Potenzial für eine verbesserte Leistung, die wiederum die Durchführung von Experimenten mit höheren Geschwindigkeiten ermöglicht.