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 Heiß & kalt – Gegensätze ziehen sich an
25.04.2017 | Universität Wien

nachricht Astronomen-Team findet Himmelskörper mit „Schmauchspuren“
25.04.2017 | Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn

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: Smart Wireless Solutions: EU-Großprojekt „DEWI“ liefert Innovationen für eine drahtlose Zukunft

58 europäische Industrie- und Forschungspartner aus 11 Ländern forschten unter der Leitung des VIRTUAL VEHICLE drei Jahre lang, um Europas führende Position im Bereich Embedded Systems und dem Internet of Things zu stärken. Die Ergebnisse von DEWI (Dependable Embedded Wireless Infrastructure) wurden heute in Graz präsentiert. Zu sehen war eine Fülle verschiedenster Anwendungen drahtloser Sensornetzwerke und drahtloser Kommunikation – von einer Forschungsrakete über Demonstratoren zur Gebäude-, Fahrzeug- oder Eisenbahntechnik bis hin zu einem voll vernetzten LKW.

Was vor wenigen Jahren noch nach Science-Fiction geklungen hätte, ist in seinem Ansatz bereits Wirklichkeit und wird in Zukunft selbstverständlicher Teil...

Im Focus: Weltweit einzigartiger Windkanal im Leipziger Wolkenlabor hat Betrieb aufgenommen

Am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) ist am Dienstag eine weltweit einzigartige Anlage in Betrieb genommen worden, mit der die Einflüsse von Turbulenzen auf Wolkenprozesse unter präzise einstellbaren Versuchsbedingungen untersucht werden können. Der neue Windkanal ist Teil des Leipziger Wolkenlabors, in dem seit 2006 verschiedenste Wolkenprozesse simuliert werden. Unter Laborbedingungen wurden z.B. das Entstehen und Gefrieren von Wolken nachgestellt. Wie stark Luftverwirbelungen diese Prozesse beeinflussen, konnte bisher noch nicht untersucht werden. Deshalb entstand in den letzten Jahren eine ergänzende Anlage für rund eine Million Euro.

Die von dieser Anlage zu erwarteten neuen Erkenntnisse sind wichtig für das Verständnis von Wetter und Klima, wie etwa die Bildung von Niederschlag und die...

Im Focus: Nanoskopie auf dem Chip: Mikroskopie in HD-Qualität

Neue Erfindung der Universitäten Bielefeld und Tromsø (Norwegen)

Physiker der Universität Bielefeld und der norwegischen Universität Tromsø haben einen Chip entwickelt, der super-auflösende Lichtmikroskopie, auch...

Im Focus: Löschbare Tinte für den 3-D-Druck

Im 3-D-Druckverfahren durch Direktes Laserschreiben können Mikrometer-große Strukturen mit genau definierten Eigenschaften geschrieben werden. Forscher des Karlsruher Institus für Technologie (KIT) haben ein Verfahren entwickelt, durch das sich die 3-D-Tinte für die Drucker wieder ‚wegwischen‘ lässt. Die bis zu hundert Nanometer kleinen Strukturen lassen sich dadurch wiederholt auflösen und neu schreiben - ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter. Die Entwicklung eröffnet der 3-D-Fertigungstechnik vielfältige neue Anwendungen, zum Beispiel in der Biologie oder Materialentwicklung.

Beim Direkten Laserschreiben erzeugt ein computergesteuerter, fokussierter Laserstrahl in einem Fotolack wie ein Stift die Struktur. „Eine Tinte zu entwickeln,...

Im Focus: Leichtbau serientauglich machen

Immer mehr Autobauer setzen auf Karosserieteile aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK). Dennoch müssen Fertigungs- und Reparaturkosten weiter gesenkt werden, um CFK kostengünstig nutzbar zu machen. Das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) hat daher zusammen mit der Volkswagen AG und fünf weiteren Partnern im Projekt HolQueSt 3D Laserprozesse zum automatisierten Besäumen, Bohren und Reparieren von dreidimensionalen Bauteilen entwickelt.

Automatisiert ablaufende Bearbeitungsprozesse sind die Grundlage, um CFK-Bauteile endgültig in die Serienproduktion zu bringen. Ausgerichtet an einem...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Kampf gegen multiresistente Tuberkulose – InfectoGnostics trifft MYCO-NET²-Partner in Peru

28.04.2017 | Veranstaltungen

123. Internistenkongress: Traumata, Sprachbarrieren, Infektionen und Bürokratie – Herausforderungen

27.04.2017 | Veranstaltungen

Jenaer Akustik-Tag: Belastende Geräusche minimieren - für den Schutz des Gehörs

27.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Die Kieler Förde – ein Trainingsbecken für Miesmuscheln

28.04.2017 | Biowissenschaften Chemie

Mikroskop im Kugelschreiberformat: Auf dem Weg zur endoskopischen Krebsdiagnose

28.04.2017 | Medizintechnik

Leipziger Forscher kreieren borhaltiges künstliches Vitamin

28.04.2017 | Biowissenschaften Chemie