Im Takt der Moleküle

Wie ändern Moleküle ihre Form, wenn sie eine chemische Bindung eingehen? Was passiert, wenn ein Laserstrahl auf einzelne Atome in einem Festkörper trifft? Physiker, Chemiker und Biologen träumen seit langem davon, die Schwingungen von Atomen und Molekülen, die Bewegungen von Ladungsträgern oder das Wechselspiel von Licht und Materie direkt beobachten zu können.

Dass Forschern in Zukunft Momentaufnahmen solcher Vorgänge gelingen können, ist auch das Verdienst von Prof. Dr. Christian Spielmann von der Friedrich-Schiller-Universität Jena. Der Inhaber des Lehrstuhls für Quantenelektronik und sein Team haben ein Verfahren entwickelt, mit dem sich ultrakurze Röntgenpulse im Labormaßstab erzeugen lassen. Damit ist es möglich, die Bewegungen einzelner Atome in Echtzeit abzubilden.

Für seine weltweit anerkannten Arbeiten auf diesem Gebiet wird Prof. Spielmann mit dem Thüringer Forschungspreis 2010 in der Kategorie „Grundlagenforschung“ ausgezeichnet. Der mit 12.500 Euro dotierte Preis wird dem 47-Jährigen am 1. April im Rahmen eines Festakts in der Friedrich-Schiller-Universität verliehen. Dann werden auch die beiden Preise in der Kategorie „Angewandte Forschung“ an Wissenschaftlerteams aus Jena und Hermsdorf überreicht.

„Eine ganz besondere Ehre“, nennt Prof. Spielmann diese Auszeichnung und betont, dass der Preis nicht nur ihm, sondern seinem gesamten Team gebühre. „Ich freue mich über die Würdigung unserer Arbeit, die in einem sehr kompetitiven Umfeld bestehen kann.“

Um „Schnappschüsse“ von Bewegungen einzelner Atome machen zu können, ist ein Verfahren nötig, das über ein ausreichend hohes zeitliches und räumliches Auflösungsvermögen verfügt. „Wir nutzen dazu die zeitaufgelöste Laserspektroskopie“, erläutert Forschungspreisträger Spielmann. Damit sich Bewegungen von Atomen oder Molekülen unverwackelt auf ein Bild bannen lassen, braucht es Belichtungszeiten im Femto-Sekundenbereich: Dabei handelt es sich um den unvorstellbar kurzen Zeitraum des Millionsten Bruchteils einer Milliardstel-Sekunde.

Um in den Mikrokosmos der Materiebausteine einzudringen, muss die verwendete Strahlung zudem extrem kurzwellig sein. „Schon Ernst Abbe hatte Ende des 19. Jahrhunderts theoretisch gezeigt, dass die Wellenlänge der Strahlung nicht größer sein darf, als die kleinsten Abmessungen der Strukturen, die man damit abbilden möchte“, sagt Prof. Spielmann. Die exakte Position von Atomen in Molekülen oder Festkörpern lasse sich daher mit sichtbarem Licht nicht abbilden. „Mit Röntgenstrahlung – die kurzwelliger ist als sichtbares Licht – dagegen schon“, so der Physiker von der Universität Jena.

Zur Erzeugung derart kurzer Röntgenpulse verfolge die Wissenschaft gegenwärtig zwei verschiedene Strategien. „Einerseits werden Großgeräte entwickelt, wie der Röntgenlaser beim DESY in Hamburg“, so Spielmann. Der gebürtige Österreicher, der seit 2008 an der Jenaer Universität forscht und lehrt, verfolgt aber einen anderen Ansatz: „Wir erzeugen intensive Röntgenpulse im kleineren Labormaßstab.“ Ausgangspunkt dafür ist Laserlicht aus dem sichtbaren Spektrum. Ein ultrakurzer Laserpuls wird in einen Gasstrahl fokussiert. Dabei wird die Wellenlänge des Lasers zu kürzeren Bereichen verschoben. Mit dieser von den Jenaer Physikern in den vergangenen Jahren optimierten Methode lassen sich kürzeste Röntgenpulse effizient herstellen. Die Ergebnisse wurden unter anderem in der renommierten Fachzeitschrift „Nature Physics“ veröffentlicht.

Die öffentliche Verleihung des Thüringer Forschungspreises findet am 1. April um 10 Uhr in der Aula der Universität Jena statt (Fürstengraben 1, 07743 Jena).

Kontakt:
Prof. Dr. Christian Spielmann
Institut für Optik und Quantenelektronik der Friedrich-Schiller-Universität Jena
Max-Wien-Platz 1
07743 Jena
Tel.: 03641 / 947230
E-Mail: christian.spielmann[at]uni-jena.de