Atombillard mit Röntgenstrahlen
Eine neue Methode für den Blick ins Innere der Moleküle
1921 erhielt Albert Einstein den Nobelpreis für Physik für seine Entdeckung, dass Licht quantisiert ist und als ein Strom von Lichtteilchen – Photonen – mit Materie wechselwirkt. Seit diesen frühen Tagen der Quantenmechanik ist auch bekannt, dass diese Photonen einen Impuls besitzen. Diesen haben sich Forscher des Max-Born-Instituts, der Universität Uppsala und des Röntgenlasers European XFEL nun zunutze gemacht, um mit einer neuen Methode einen fundamentalen Prozess der Wechselwirkung von Röntgenstrahlung mit Atomen zu beobachten. Die ausführlichen Ergebnisse der Experimente und theoretischen Analyse erschienen nun in der Fachzeitschrift Science.
Die zwei skizzierten, fundamental unterschiedlichen Prozesse der Wechselwirkung von Röntgenlicht mit Materie lassen sich mit der neuartigen Messmethode klar unterscheiden: diejenigen Atome, bei dem zwei Photonen gleichzeitig mit dem Atom wechselgewirkt haben, treffen in einer Linie auf dem Detektor auf (waagerecht, grün). Im Gegensatz dazu finden sich diejenigen Atome, die nur ein Photon absorbiert und ein weiteres ausgesandt haben, über einen größeren Bereich verstreut wieder.
Stefan Eisebitt/Max-Born-Institut
Die Absorption wie auch die Emission eines Photons durch ein Atom sind fundamentale Prozesse der Wechselwirkung von Licht mit Materie. Viel seltener finden jedoch auch Prozesse statt, bei denen gleichzeitig mehrere Photonen mit einem Atom wechselwirken. Die Verfügbarkeit von intensiven Laserstrahlen seit den 1960er Jahren führte zur Entwicklung der sogenannten „nichtlinearen Optik“, in der solche Prozesse beobachtet und genutzt wurden.
Völlig neue Möglichkeiten eröffnen sich, wenn man solche nichtlineare Optik mit Röntgenstrahlung statt sichtbarem Licht betreiben kann. Die Nutzung ultrakurzer Röntgenpulse verspricht dabei eine detaillierte Einsicht in die Bewegung der Elektronen und Kerne in Molekülen und Festkörpern. Es war unter anderem auch diese Aussicht, die weltweit den Bau von Röntgenlasern auf der Basis großer Teilchenbeschleuniger motiviert hat. Mit der Inbetriebnahme des Europäischen Freien-Elektronen Röntgenlasers, dem European XFEL, in 2017 ist die Wissenschaftsgemeinde diesem Ziel einen Schritt näher gekommen. Der Fortschritt in der Nutzung nichtlinearer Prozesse mit Röntgenstrahlung zur Erforschung elementarer Prozesse in Materie war in der Praxis jedoch langsamer als erwartet. „In der Regel überdecken die viel stärkeren linearen Prozesse die interessanten nichtlinearen Prozesse“, sagt Prof. Ulli Eichmann vom Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie in Berlin.
Das deutsch-schwedische Forscherteam hat nun eine neue Methode entwickelt, um die nichtlinearen Prozesse ohne die störenden linearen Prozesse beobachten zu können. Dazu machte sich das Team den Impuls zunutze, der zwischen Röntgenlicht und Atom ausgetauscht wird. In der Fachzeitschrift Science beschreiben die Wissenschaftler, wie sie nach dem Durchkreuzen eines Überschall-Atomstrahls mit dem Röntgenlaserstrahl exklusiv diejenigen Atome identifizieren können, bei denen die sogenannte stimulierte Ramanstreuung stattgefunden hat - ein fundamentaler nichtlinearer Prozess, bei dem zwei Photonen verschiedener Wellenlänge einfallen und zwei Photonen der längeren Wellenlänge das Atom wieder verlassen.
„Photonen können Impuls an das Atom übertragen – ganz analog wie dies beim Stoß zweier Billardkugeln geschieht“, erklärt Eichmann. Beim stimulierten Ramanprozess verlassen die beiden Photonen das Atom in exakt derselben Richtung wie die zwei einfallenden Photonen – das Atom ändert seinen Impuls und damit seine Flugrichtung quasi nicht. Ganz anders bei den ungleich häufigeren linearen Prozessen, bei denen ein Photon zunächst absorbiert wird und später ein anderes Photon emittiert wird. Da das emittierte Photon meist in eine andere Richtung ausgesandt wird, wird das Atom dabei abgelenkt. Durch die Beobachtung der Flugrichtung der Atome konnten die Forschenden daher den stimulierten Ramanprozess mit Röntgenstrahlung von den anderen Prozessen eindeutig unterscheiden.
„Die neue Methode eröffnet besondere Möglichkeiten, wenn wir sie zukünftig mit zeitverzögerten Röntgenpulsen verschiedener Wellenlänge verwenden, wie man sie seit Kurzem an Röntgenlasern wie dem European XFEL erzeugen kann“, erklärt Dr. Michael Meyer, der am Europäischen Röntgenlaser forscht. Da Röntgenpulse mit verschiedener Wellenlänge es erlauben, gezielt einzelne Atome in Molekülen zu adressieren, lässt sich so im Detail verfolgen, wie sich die Wellenfunktionen der Elektronen in Molekülen zeitlich entwickeln. Auf lange Sicht hoffen die Wissenschaftler, diese Entwicklung nicht nur beobachten, sondern auch mithilfe maßgeschneiderter Laserpulse beeinflussen zu können. „Unser Ansatz ermöglicht es, chemische Reaktionen auf atomarer Ebene zukünftig besser zu verstehen und möglicherweise sogar zu beeinflussen. Da die Verschiebung von Elektronen der essentielle Schritt in chemischen und photochemischen Prozessen ist, wie sie z.B. in Batterien und Solarzellen stattfinden, kann unser Ansatz langfristig auch für solche Prozesse neue Aufschlüsse bringen“, erläutert Jan-Erik Rubensson, Professor an der Universität Uppsala.
Originalveröffentlichung
U. Eichmann, H. Rottke, S. Meise, J.-E. Rubensson, J. Söderström, M. Agåker, C. Såthe, M. Meyer, T. M. Baumann, R. Boll, A. De Fanis, P. Grychtol, M. Ilchen, T. Mazza, J. Montano, V. Music, Y. Ovcharenko, D. E. Rivas, S. Serkez, R. Wagner, S. Eisebitt; "Photon-recoil imaging: Expanding the view of nonlinear x-ray physics"; Science; 25 Sep 2020: 1630-1633
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