Schnappschüsse von bewegten Elektronen
DESY
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Für diese Hochgeschwindigkeitsaufnahmen werden jedoch nicht nur neue Detektoren und Geräte benötigt sondern auch neue theoretische Ansätze: Wie kann die Wechselwirkung zwischen einem ultrakurzen, hochintensiven Röntgenstrahl mit einer hochbeweglichen Anordnung von Elektronen beschrieben und interpretiert werden? Wie kann sichergestellt werden, dass der intensive Laserstrahl auf den jeweiligen Versuchsaufbau trifft, ohne die Probe und damit die Messung zu zerstören? Robin Santra und seine Kollegen vom Center for Free-Electron Laser Science bei DESY haben sich jetzt mit diesem grundlegenden Problem befasst. In ihrer Veröffentlichung in der Fachzeitschrift Physical Review Letters stellt die Gruppe um Gopal Dixit eine neue Strategie dar, um diese Umlagerung in Echtzeit sichtbar zu machen.
Für ihre Arbeit simulierte die Gruppe eine angeregte Anordnung von Elektronen, in der eine Umlagerung in wenigen Femtosekunden, der üblichen Zeit für Elektronenbewegungen, stattfand. In den Simulationen beschrieben die Wissenschaftler den eintreffenden Lichtblitz als ein mit den Elektronen wechselwirkendes Quantenpaket und zeigten, dass die Laserpulse tatsächlich in der Lage sind, verschiedene Stadien der ultraschnellen Elektronenbewegungen zu fotografieren. Außerdem zeigte das Team einen Ausweg, um das das Problem der Probenveränderungen durch das hochintensive Röntgenlicht bei der Aufnahme der Elektronenbewegung zu umgehen. Die Forscher empfehlen, bei den Schnappschüssen die Phasenänderung der Röntgenstrahlen durch die Probe auszunutzen. Diese sogenannte Phasenkontrastabbildung ist eine gängige Methode um Proben mit Synchrotronstrahlungslicht abzubilden. Dabei bedient man sich der Tatsache, dass die Wechselwirkung von Licht und Materie nicht nur die Intensität der Lichtwelle verändert sondern auch deren Phase. Der Phasenunterschied des durchgehenden Lichts und des Streulichts kann nachgewiesen werden und gibt so Aufschluss über die Struktur der Probe.
„Dies sind natürlich sehr grundlegende theoretische Untersuchungen, aber sie bieten zum ersten Mal die Möglichkeit, Schnappschüsse von Elektronenbewegungen zu verschiedenen Zeitpunkten zu machen und damit einen Film über Elektronen zu drehen“, sagt Jan Malte Slowak, einer der Autoren. „Sobald diese Methode in Experimenten eingesetzt werden kann, wird sie Aufschluss über die ultraschnellen Prozesse der Natur geben, sodass wir sie besser verstehen können“, betont Gopal Dixit.