Die Photosynthese filmen

Hamburg (nd). Der Ablauf chemischer Reaktionen erschließt sich bisher in der Regel aus den Reaktionsprodukten. Was genau zwischen den einzelnen Atomen und Molekülen vorgeht, lässt sich auch mit den feinsten Mikroskopen nicht direkt beobachten. Entweder erreichen sie wegen der zu großen Wellenlänge des Lichts nicht die nötige Auflösung, oder sie sind wie das Rasterkraftmikroskop nicht schnell genug. Röntgenstrahlen mit scharf definierter Wellenlänge könnten da Abhilfe schaffen. Von sogenannten Freie-Elektronen-Lasern verspricht man sich solche Röntgenquellen. Doch selbst mit einem Freie-Elektronen-Röntgenlaser (XFEL), wie er in Hamburg entsteht, sind manche Untersuchungen schwierig oder gar unmöglich.

Forscher des Hamburger Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) haben jetzt am kalifornischen Forschungszentrum SLAC den ersten Röntgenlaser auf Atombasis konstruiert. Mithilfe von Neonatomen erzeugten sie ultrakurze Röntgenblitze hoher Farbreinheit. Diese erlauben es beispielsweise, den Ladungstransport bei der Photosynthese mit atomarer Auflösung zu studieren, um ihn möglicherweise in technischen Systemen nachzuahmen. Auch über die elektronischen Prozesse in Fotozellen können Physiker mithilfe des atomaren Röntgenlasers mehr erfahren.

»Ein atomarer Röntgenlaser erzeugt Laserlicht mit etwa 60-mal schärfer definierter Wellenlänge als ein Freie-Elektronen-Röntgenlaser, außerdem bleibt seine Wellenlänge völlig stabil, seine Pulse sind kürzer, und er weist ein glatteres Pulsprofil auf«, erläutert Nina Rohringer von der Max Planck Advanced Study Group am CFEL.

In derartigen Lasern werden Elektronen bis nahe der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und mit Magneten auf einen Schlingerkurs gebracht. Dabei erzeugen sie laserartige Röntgenstrahlung. Die Forscher schickten den 40 bis 80 Femtosekunden (1 Femtosekun᠆de = 1 Billiardstel Sekunde) kurzen Röntgenpuls des Freie-Elektronen-Lasers LCLS in Kalifornien durch sehr dichtes Neongas. Der Röntgenstrahl ionisierte dort Neonatome, indem er jeweils ein inneres Elektron aus ihnen herausschlug. Eines der äußeren Elektronen der Atome rutschte daraufhin nach innen und sandte einen Röntgenpuls aus. Dieser animierte das nächste Atom zu einem weiteren Röntgenpuls, sodass sich die zahlreichen Pulse zu einem Röntgen-Laserblitz überlagerten, dessen Wellenlänge bei 1,46 Nanometern (Millionstel Millimetern) lag.