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05.09.2017 | Lasertechnik + Photonik | Im Fokus | Onlineartikel

Filmen im Nanometer-Bereich

Autor:
Dieter Beste

Am Europäischen Röntgenlaser XFEL in Hamburg starten die ersten Experimente: Die Maschine ermöglicht neue Einblicke in die Materie – so lassen sich etwa chemische Reaktionen regelrecht "filmen".

27.000 Laserblitze pro Sekunde kann XFEL (X-Ray Free-Electron-Laser) pro Sekunde abfeuern. Damit ist er mehr als 200-mal leistungsfähiger als die fünf vergleichbaren Anlagen, die es weltweit gibt. Bei einem Laser wird im Gegensatz zu konventioneller Lichtquellen durch eine induzierte Emission die Lichtausstrahlung der Atome gekoppelt, sodass eine etwa ebene Lichtwelle mit einer genau definierten Frequenz entsteht. Die Ausbreitungsrichtung dieser Welle wird durch zwei Spiegel gegeben, die entlang der Längsachse des Lasermaterials parallel angeordnet sind und einen so genannten optischen Resonator bilden.

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Das Kunstwort „Laser“ bedeutet „light amplification by stimulated emission of radiation“ und beschreibt den grundlegenden Prozess der „Lichtverstärkung durch stimulierte Emission“, der zur Entstehung der Laserstrahlung führt. Die stimulierte Emission


Bis heute, schreiben die Springer-Autoren Hans Joachim Eichler und Jürgen Eichler in "Laser" sind etwa zehntausend verschiedene Laserübergänge bekannt, "die Strahlung im Wellenlängenbereich von unter 0,01 µm bis über 1000 µm erzeugen und damit die Spektralgebiete der weichen Röntgenstrahlung, des ultravioletten, sichtbaren und infraroten Lichtes sowie der Millimeterwellen abdecken" (Seite 53).

Der European XFEL (rund 1,2 Mrd. Euro Baukosten) ist eine 3,4 km lange Anlage, mit der nun extrem energiereiches Laserlicht mit Wellenlängen von 0,05 nm bis 5 nm (Röntgenstrahlung) erzeugt werden kann. Die dafür von 2009 bis 2016 gebauten Tunnel reichen vom DESY-Gelände in Hamburg bis ins schleswig-holsteinische Schenefeld, wo ein Forschungscampus mit einer unterirdischen Experimentierhalle entstanden ist. Insgesamt sind elf Länder am European XFEL beteiligt.

Molekül-Kino

Mit XFEL werden Forscher künftig viel genauer als bisher möglich in die Struktur der Materie hineinblicken können. Die Röntgenblitze ermöglichen jetzt Aufnahmen mit atomarer Auflösung. An zwei Experimentierstationen, dem Instrument FXE (Femtosecond X-ray Experiments) für die Erforschung sehr schneller Prozesse und dem Instrument SPB/SFX (Single Particles, Clusters, and Biomolecules / Serial Femtosecond Crystallography) für die Untersuchung von Biomolekülen und biologischer Strukturen, werden erste Experimente durchgeführt werden. Die gepulste Laserstrahlung ermöglicht es, nicht nur Einzelbilder, sondern ganze Bildfolgen dynamischer Prozesse (Filme) aufzunehmen. "Das ‚Filmen‘ der dynamischen Funktionen von Proteinen war lange Zeit ein Traum der Wissenschaftler, der nun mit dem neuen Röntgenlaser in Erfüllung gehen kann", kommentiert etwa Lars Redecke vom Institut für Biochemie der Universität zu Lübeck, der an dem Experiment zur Aufklärung der dreidimensionalen Proteinstruktur für die Infektionsforschung beteiligt ist.

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