Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Mit Trick zu extrem kurzen Zeiten

02.03.2012
Bei Messungen sehr schneller Vorgänge mit der Pump-Probe-Technik bestimmt die Dauer der verwendeten Laserblitze die maximal erreichbare zeitliche Auflösung.

Wie man zu etwa 10 Mal kürzeren Zeiten vordringen kann, haben nun Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Kernphysik gezeigt: Sie machen sich das vermeintlich störende Rauschen der Blitze von Freie-Elektronen-Lasern zu Nutze. Das zugrunde liegende Konzept ist universell und eröffnet neue experimentelle Methoden und Anwendungen. (Physical Review Letters, 01.03.2012)


Der glatte zeitliche Verlauf eines Laserblitzes (oben) und der individuell verrauschte Verlauf zweier gleich langer Blitze des Freie-Elektronen-Lasers FLASH, jeweils links der Pumpblitz, der das Molekül rechts zum Schwingen anregt und der darauf folgende identisch strukturierte Probeblitz, der die momentane Position der Atome im Molekül abtastet. Grafik: MPI für Kernphysik

Für Wissenschaftler ist es eine Herausforderung, die Bewegung von Atomen in Molekülen während einer chemischen Reaktion zu „filmen“. Diese ultraschnellen Vorgänge beobachten sie mit Hilfe der sogenannten Pump-Probe-Technik und extrem kurzen Laserblitzen, die nur wenige Milliardstel einer millionstel Sekunde dauern. Ein erster Blitz startet die Reaktion und ein zweiter kurz darauf folgender Blitz schießt ein „Bild“. Für einen „Film“ wird der Abstand zwischen den beiden Blitzen variiert. Die zeitliche Auflösung des Films wird dabei von der Dauer der Blitze begrenzt: es lassen sich nur Vorgänge verfolgen, die länger dauern als der Laserblitz.

Eine wichtige Eigenschaft von Laserblitzen ist ihr glatter (kohärenter) zeitlicher Verlauf, also die Abwesenheit von Rauschen. Denn Rauschen ist normalerweise ein Feind präziser Messungen. Jedoch ist es schwierig, immer noch kürzere geeignete Laserblitze zu erzeugen. Andererseits sind die Röntgenblitze der seit einigen Jahren bei großen Beschleunigeranlagen aufgebauten Freie-Elektronen-Laser verrauscht und haben einen von Blitz zu Blitz anderen zeitlichen Verlauf, wie in der Abbildung dargestellt.

Forscher am MPI für Kernphysik in Heidelberg haben nun einen Weg gefunden, wie man sich das Rauschen zu Nutze machen kann. Entscheidend dabei ist, dass Pump- und Probeblitz exakt dasselbe Rauschen aufweisen. Dies ist bei derartigen Experimenten üblicherweise der Fall, da Pump- und Probeblitz mit einem Strahlteiler und verschieden langen optischen Wegen aus dem Originalblitz erzeugt werden. „Die zeitlichen Intensitätsspitzen und Täler innerhalb eines Blitzes sind so zwar für jeden Schuss zufällig, sie wiederholen sich aber stets mit hoher zeitlicher Präzision zwischen Pump- und Probeblitz“ erklärt Thomas Pfeifer vom MPIK Heidelberg. Mittelt man nun über einige tausend Einzelmessungen, ergibt sich eine zeitliche Auflösung, die mehr als 10 Mal kürzer sein kann als die Blitzdauer. Dass jeder Blitz seine eigene zeitliche Struktur hat, ist der Schlüssel hierzu. So kehrt sich der vermeintliche Nachteil von Freie-Elektronen-Lasern gegenüber konventionellen rauschfreien Lasern in einen Vorteil um.

Dieser Mechanismus erklärt die unerwartet hohe zeitliche Auflösung, die bei einem kürzlich mit dem Freie-Elektronen-Laser FLASH in Hamburg durchgeführten Experiment zur Beobachtung von Molekülschwingungen erreicht wurde. Das Konzept der durch Rauschen verbesserten zeitlichen Auflösung ist universell und eröffnet neue Möglichkeiten für Ultrakurzzeitmessungen mit weniger aufwändigen Lichtquellen als bisher, die Untersuchung biologischer Proben in lebendem (und damit „rauschendem“) Gewebe und Anwendungen etwa in der Kommunikationstechnik.

Originalveröffentlichung:
„Noisy pulses enhance temporal resolution in pump-probe spectroscopy“
K. Meyer, C. Ott, P. Raith, A. Kaldun, Y. Jiang, A. Senftleben, M. Kurka, R. Moshammer, J. Ullrich, T. Pfeifer
Phys. Rev. Lett. 108, 098302 (2012)
http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.108.098302
doi: 10.1103/PhysRevLett.108.098302
Kontakt:
Dr. Thomas Pfeifer
MPI für Kernphysik
Tel: (+49)6221-516-380
E-Mail: thomas.pfeifer (at) mpi-hd.mpg.de

Dr. Bernold Feuerstein | Max-Planck-Institut
Weitere Informationen:
http://www.mpi-hd.mpg.de/mpi/de/pfeifer/interatto-home

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht MADMAX: Ein neues Experiment zur Erforschung der Dunklen Materie
20.10.2017 | Max-Planck-Institut für Physik

nachricht Hochfeldmagnet am BER II: Einblick in eine versteckte Ordnung
20.10.2017 | 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: Hochfeldmagnet am BER II: Einblick in eine versteckte Ordnung

Seit dreißig Jahren gibt eine bestimmte Uranverbindung der Forschung Rätsel auf. Obwohl die Kristallstruktur einfach ist, versteht niemand, was beim Abkühlen unter eine bestimmte Temperatur genau passiert. Offenbar entsteht eine so genannte „versteckte Ordnung“, deren Natur völlig unklar ist. Nun haben Physiker erstmals diese versteckte Ordnung näher charakterisiert und auf mikroskopischer Skala untersucht. Dazu nutzten sie den Hochfeldmagneten am HZB, der Neutronenexperimente unter extrem hohen magnetischen Feldern ermöglicht.

Kristalle aus den Elementen Uran, Ruthenium, Rhodium und Silizium haben eine geometrisch einfache Struktur und sollten keine Geheimnisse mehr bergen. Doch das...

Im Focus: Schmetterlingsflügel inspiriert Photovoltaik: Absorption lässt sich um bis zu 200 Prozent steigern

Sonnenlicht, das von Solarzellen reflektiert wird, geht als ungenutzte Energie verloren. Die Flügel des Schmetterlings „Gewöhnliche Rose“ (Pachliopta aristolochiae) zeichnen sich durch Nanostrukturen aus, kleinste Löcher, die Licht über ein breites Spektrum deutlich besser absorbieren als glatte Oberflächen. Forschern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es nun gelungen, diese Nanostrukturen auf Solarzellen zu übertragen und deren Licht-Absorptionsrate so um bis zu 200 Prozent zu steigern. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler nun im Fachmagazin Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.1700232

„Der von uns untersuchte Schmetterling hat eine augenscheinliche Besonderheit: Er ist extrem dunkelschwarz. Das liegt daran, dass er für eine optimale...

Im Focus: Schnelle individualisierte Therapiewahl durch Sortierung von Biomolekülen und Zellen mit Licht

Im Blut zirkulierende Biomoleküle und Zellen sind Träger diagnostischer Information, deren Analyse hochwirksame, individuelle Therapien ermöglichen. Um diese Information zu erschließen, haben Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT ein Mikrochip-basiertes Diagnosegerät entwickelt: Der »AnaLighter« analysiert und sortiert klinisch relevante Biomoleküle und Zellen in einer Blutprobe mit Licht. Dadurch können Frühdiagnosen beispielsweise von Tumor- sowie Herz-Kreislauf-Erkrankungen gestellt und patientenindividuelle Therapien eingeleitet werden. Experten des Fraunhofer ILT stellen diese Technologie vom 13.–16. November auf der COMPAMED 2017 in Düsseldorf vor.

Der »AnaLighter« ist ein kompaktes Diagnosegerät zum Sortieren von Zellen und Biomolekülen. Sein technologischer Kern basiert auf einem optisch schaltbaren...

Im Focus: Neue Möglichkeiten für die Immuntherapie beim Lungenkrebs entdeckt

Eine gemeinsame Studie der Universität Bern und des Inselspitals Bern zeigt, dass spezielle Bindegewebszellen, die in normalen Blutgefässen die Wände abdichten, bei Lungenkrebs nicht mehr richtig funktionieren. Zusätzlich unterdrücken sie die immunologische Bekämpfung des Tumors. Die Resultate legen nahe, dass diese Zellen ein neues Ziel für die Immuntherapie gegen Lungenkarzinome sein könnten.

Lungenkarzinome sind die häufigste Krebsform weltweit. Jährlich werden 1.8 Millionen Neudiagnosen gestellt; und 2016 starben 1.6 Millionen Menschen an der...

Im Focus: Sicheres Bezahlen ohne Datenspur

Ob als Smartphone-App für die Fahrkarte im Nahverkehr, als Geldwertkarten für das Schwimmbad oder in Form einer Bonuskarte für den Supermarkt: Für viele gehören „elektronische Geldbörsen“ längst zum Alltag. Doch vielen Kunden ist nicht klar, dass sie mit der Nutzung dieser Angebote weitestgehend auf ihre Privatsphäre verzichten. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entsteht ein sicheres und anonymes System, das gleichzeitig Alltagstauglichkeit verspricht. Es wird nun auf der Konferenz ACM CCS 2017 in den USA vorgestellt.

Es ist vor allem das fehlende Problembewusstsein, das den Informatiker Andy Rupp von der Arbeitsgruppe „Kryptographie und Sicherheit“ am KIT immer wieder...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Das Immunsystem in Extremsituationen

19.10.2017 | Veranstaltungen

Die jungen forschungsstarken Unis Europas tagen in Ulm - YERUN Tagung in Ulm

19.10.2017 | Veranstaltungen

Bauphysiktagung der TU Kaiserslautern befasst sich mit energieeffizienten Gebäuden

19.10.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Forscher finden Hinweise auf verknotete Chromosomen im Erbgut

20.10.2017 | Biowissenschaften Chemie

Saugmaschinen machen Waschwässer von Binnenschiffen sauberer

20.10.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Strukturbiologieforschung in Berlin: DFG bewilligt Mittel für neue Hochleistungsmikroskope

20.10.2017 | Förderungen Preise