Überblick

Atomare Cluster im Fokus 

Intensive Röntgenpulse enthüllen die Struktur und ultraschnelle Entwicklung einzelner Nanoteilchen.

  • Daniela Rupp, Thomas Fennel und Thomas Möller
  • 11 / 2017 Seite: 33

Atomare Cluster sind einfache und komplexe Systeme zugleich. Ihre einstellbare Größe macht sie zu idealen Modellsystemen, um die Geheimnisse und neuen Anwendungsmöglichkeiten intensiver Licht-Materie-Wechselwirkungen aufzudecken. Röntgenlaser erlauben es heute, Streubilder von einzelnen Clustern aufzuzeichnen – das macht ihre individuelle Form und ultraschnelle Dynamik erstmals sichtbar.

Intensives Laserlicht kommt in vielen Bereichen zum Einsatz, von der Materialbearbeitung über Chirurgie bis hin zur kontrollierten Kernfusion. Üblicherweise denkt man dabei an stark kollimierte Lichtstrahlen im sichtbaren Spektrum. Heute gibt es auch laserähnliche Strahlung mit Wellenlängen im Röntgenbereich [1]. Dies wurde durch die Entwicklung von Freie-Elektronen-Lasern (FEL) möglich, die eine neuartige Form der Synchrotronstrahlungsquellen darstellen. In einem FEL durchlaufen hochrelativistische Elektronenpulse speziell geformte Magnetstrukturen, so genannte Undulatoren. Die Magnetfelder zwingen die Elektronen auf eine Wellenbahn, sodass diese Strahlung emittieren. Eine Mikrostrukturierung der Pulse sorgt dabei für die extrem verstärkte kohärente Abstrahlung. Da die Elektronenpulse in einem FEL zudem sehr kurz sind, erhält man bis zu zehn Größen­ordnungen intensivere Lichtpulse als in Speicher­ringen, den herkömmlichen Quellen von Synchrotronstrahlung [1, 2].

Dank seiner kurzen Wellenlänge lässt sich Röntgenlicht zu Strahlflecken bis unter 1 μm Durchmesser fokussieren, sodass sich im Extremfall Leis­tungsdichten von mehr als 1018 W/cm2 ergeben [3]. Das entspricht einer Fokussierung des gesamten auf die Erde auftreffenden Sonnenlichts auf die Fläche eines Fingernagels – natürlich nur für einen sehr kurzen Moment. Die Verbindung von hoher räumlicher Auflösung durch die kurze Wellenlänge und extrem geringer Pulslänge bis hinunter zu wenigen Femtosekunden erlaubt es erstmals, dynamische Prozesse im Bereich atomarer Längen- und Zeitskalen durch Streuexperimente sichtbar zu machen [4]...

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