Mit Trick zu extrem kurzen Zeiten

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)

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