Röntgenspektroskopie mit Auflösung im Femtosekunden- und atomaren Bereich
Kurzwellige Freie-Elektronen-Laser (FELs) können kohärente Röntgenstrahlung von bislang noch nie erreichter Intensität erzeugen. Eine Kombination von deren hoher räumlicher Auflösung mit der ultrakurzen Dauer für die Zwecke der 4D-Charakterisierung (in den drei räumlichen sowie der zeitlichen Dimension) von Proben erfordert Wissen und Kontrolle über die strukturellen Eigenschaften und die Länge der Röntgenimpulse. Mit Hilfe der EU-Mittel des Projekts SIXPAC & T-REX (Single-shot X-ray pulse duration acquisition (SiXPAc) & time-resolved X-ray spectroscopy on molecules (T-ReX)) haben die Wissenschaftler einen Weg gefunden, diese Informationen abzurufen. Das Team entwickelte ein nichtinvasives Schema zur Charakterisierung von Röntgenpulsen mit Sub-Femtosekundenauflösung. Zur Messung der FEL-Pulsdauer zogen die Forscher die Nahinfrarot-Streaking-Spektroskopie heran. Bei diesem gut etablierten Verfahren überschneidet ein Nahinfrarotlaser den Röntgenstrahl, der ein verdünntes Neongas durchquert. Da die Gasatome durch den FEL ionisiert werden, werden die erzeugten Photoelektronen mit einem Magnetflaschenelektronenspektrometer nachgewiesen. Mit dem neuen Verfahren kann erstmals die Dauer der Femtosekunden-Röntgenpulse mit einer Genauigkeit von wenigen 100 Attosekunden, unabhängig von der Photonenenergie, direkt gemessen werden. Eine detaillierte Beschreibung des Versuchsaufbaus finden Sie in einer wissenschaftlichen Arbeit(öffnet in neuem Fenster), die in dem einflussreichen, von Experten begutachteten Journal Nature Photonics veröffentlicht wurde. Dank der zugewiesenen Strahlzeit an der Röntgenlaserquelle Linac Coherent Light Source (LCLS) war es möglich, das Verfahren zu testen. Beim LCLS, das Teil des SLAC National Accelerator Laboratory ist, handelt es sich um eine Forschungsanlage, die im Namen des Energieministeriums der Vereinigten Staaten von der Stanford University betrieben wird. Der stärkste Röntgen-FEL der Welt war der perfekte Ort, um Versuche durchzuführen. Die Forscher entwickelten überdies eine Technik zum Messen des inhärenten Schuss-zu-Schuss-Timing-Jitter des FEL, die auf dem stochastischen Prinzip der selbstverstärkten spontanen Emission beruht. Mit der Sub-Femtosekunden-Genauigkeit des Verfahrens wird man ferner die Steuerung des relativen Timings eines ultravioletten (UV) Pumpimpulses erleichtern, der dazu dient, molekulare Reaktionen in einer Probe sowie einen Röntgensondenimpuls zu deren Visualisierung zu initiieren. Nach der Vorbereitung der Grundlagen begann man mit dem UV-Pumpen-/ Röntgensonden-Experiment am LCLS. Das Team von SIXPAC & T-REX-Team geht davon aus, die 4D-Bildgebung der Ionisationsdynamik in flüssigem Wasser demonstrieren zu können und damit den Weg zu einer neuen Ära von Untersuchungen in den Biologie- und Materialwissenschaften zu weisen.
