Schnell, präzise und übersichtlich! Dieser „Videorecorder“ kann Atommoleküle aufzeichnen!

Autor: Luo Huiqian, Forscher, Institut für Physik, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Licht ist wahrscheinlich einer der Stoffe, mit denen der Mensch am vertrautesten ist. Aufgrund des Lichts gibt es überall im Universum Energie, die Welt erscheint lebendig und farbenfroh und alle Dinge erscheinen in verschiedenen Größen, Formen und Farben. Heutzutage sind wir es gewohnt, mit Kameras Fotos oder Videos aufzunehmen und so makroskopische Dinge aufzuzeichnen. Wissenschaftler verfügen außerdem über ein ultraschnelles und ultraleistungsfähiges Aufzeichnungsgerät der mikroskopischen Welt, einen sogenannten Freie-Elektronen-Laser.

Was also ist ein Freie-Elektronen-Laser? Worin besteht der Unterschied zu gewöhnlichen Lasern? Warum kann es mikroskopische Moleküle oder Atome aufzeichnen?

Hallo zusammen! Ich bin Luo Huiqian, Forscher am Institut für Physik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften. Heute sprechen wir über die „Lichtquelle der vierten Generation“ neben der Synchrotronstrahlung – den Freie-Elektronen-Laser.

Licht ist für den Menschen das wichtigste Werkzeug, um Informationen über die Welt zu erfassen. Mikroskope und Teleskope, die auf sichtbarem Licht basieren, ermöglichen es dem Menschen, winzige Mikroorganismen und weit entfernte Sterne zu sehen. Um jedoch tiefere Einblicke in mikroskopische Informationen wie die Zusammensetzung und Anordnung der Atome im Inneren des Materials zu gewinnen, sind wir auf Röntgenstrahlen mit kürzeren Wellenlängen angewiesen. Seit 1947 haben Wissenschaftler vier Generationen von Synchrotronstrahlungsquellen entwickelt und dabei die Helligkeit des Lichts kontinuierlich verbessert. Insbesondere die „Foto“-Auflösung von Röntgenstrahlen hat eine beispiellose Genauigkeit erreicht. Allerdings handelt es sich bei den Röntgenstrahlen von Synchrotronstrahlungsquellen nicht um kohärente Lichtquellen und ihre Leistung ist unzureichend, wenn sie zum „Aufnehmen von Videos“ von Atomen und Molekülen verwendet werden.

Die Wissenschaftler haben sich die Lichtquelle mit der besten Kohärenz ausgedacht – den Laser. Herkömmliche Laser basieren auf quantenstimulierter Strahlung, die durch Elektronen in Atomen, Molekülen oder Festkörperenergieniveaus erzeugt wird, nachdem die Teilchenzahl umgedreht wurde. Dabei handelt es sich um einen gebundenen Elektronenlaser. Dieser Modus kann jedoch keine Röntgenstrahlen mit extrem kurzer Wellenlänge erzeugen. Um Röntgenstrahlen in einen kohärenten Laserstrahl umzuwandeln, sind sich schnell bewegende freie Elektronen erforderlich.

Das Grundprinzip des Freie-Elektronen-Lasers

Ein Linearbeschleuniger dient dazu, Elektronenstrahlen auf eine Geschwindigkeit nahe der Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen. Anschließend werden sie in ein sich periodisch änderndes transversales Magnetfeld (auch Undulator genannt) gebracht, um zu schwingen und kontinuierlich spontan zu strahlen. Das spontan abgestrahlte Licht wird wiederholt mit dem Elektronenstrahl selbst gekoppelt und Licht einer bestimmten Energie wird ausgewählt, um eine kontinuierliche Verstärkung zu erzielen, bis es die Sättigung und Ausgabe erreicht. Dies ist ein Strahl eines kohärenten Freie-Elektronen-Lasers. Die Kohärenz von Freie-Elektronen-Lasern kann durch die Einführung der Harmonischen höherer Ordnung als Saatlicht weiter verbessert werden.

Hochharmonische Strahlen

Im April 1977 bauten Forscher an der Stanford University in den USA den ersten Freie-Elektronen-Laseroszillator und realisierten damit einen Ferninfrarot-Freie-Elektronen-Laser auf der Basis eines Beschleunigers. Zu Beginn des 21. Jahrhunderts entwickelten Wissenschaftler am DESY-Zentrum in Hamburg einen Röntgen-Freie-Elektronen-Laser mit einer Helligkeit, die dem 10-Millionen-fachen der Intensität von natürlichem Licht entspricht. Derzeit gibt es weltweit viele Freie-Elektronen-Laseranlagen, wie etwa die Soft-X-ray-Freie-Elektronen-Laseranlage (FLASH) des Deutschen Elektronen-Synchrotron-Labors, die Linear Accelerator Coherent Light Source (LCLS) des US-amerikanischen National Accelerator Laboratory, die Europäische Röntgen-Freie-Elektronen-Laseranlage (European-XFEL), die Pohang-Freie-Elektronen-Laseranlage (PAL-XFEL) in Südkorea und die Schweizer Freie-Elektronen-Laseranlage (SwissFEL).

Der Freie-Elektronen-Laser FELIX in den Niederlanden

Bereits 1994 baute mein Land die Beijing Free Electron Laser Facility (BFEL) im mittleren Infrarotbereich. die 2016 gebaute Dalian Coherent Light Source (DCLS) im extremen Ultraviolettbereich ist die hellste extrem ultraviolette Lichtquelle der Welt; 2017 wurde in Chengdu die High Average Power Terahertz Free Electron Laser Facility (CTFEL) gebaut, und im selben Jahr emittierte die Shanghai Soft X-ray Free Electron Laser Experimental Facility offiziell Licht und wird zu einem Benutzergerät (SXFEL) weiter aufgerüstet; 2018 begann der Bau der Shanghai Hard X-ray Free Electron Laser Facility (SHINE), und das Benutzergerät wird im September 2024 installiert.

Schematische Darstellung der Verteilung der Freie-Elektronen-Laseranlagen für harte Röntgenstrahlen in Zhangjiang, Shanghai

Die Anlage für harte Röntgen-Freie-Elektronen-Laser in der Shanghaier Zhangjiang Science City ist 3,11 Kilometer lang und umfasst einen supraleitenden Linearbeschleuniger mit 8 GeV, drei Undulatorlinien, drei optische Strahllinien, ein ultraintensives Ultrakurzlasersystem mit 100 PW und die ersten 10 Versuchsstationen. Es wird sowohl eine ultrahohe räumliche Auflösung im Nanometerbereich als auch eine ultraschnelle Zeitauflösung im Femtosekundenbereich haben.

Freie-Elektronen-Laser kombinieren die Kohärenz gewöhnlicher Laser mit den Vorteilen hoher Energie, hoher Helligkeit und hoher Auflösung synchronisierter Lichtquellen. Man kann ihn als ultrastarken, ultraschnellen und ultraenergiereichen „Taschenlampenrekorder“ in der mikroskopischen Welt bezeichnen und er verfügt über hochmoderne Anwendungen in vielen Disziplinen, darunter Energie, Leben, Materialien, Physik und Chemie. Es kann die Atombewegung beim Aufbrechen chemischer Bindungen, die seltsamen physikalischen Zustände von Atomen und Molekülen unter extremen Bedingungen, den Ladungstransportprozess komplexer Moleküle, die ultraschnelle Dynamik von Elektronen oder Atomen beim Phasenwechsel usw. erfassen. Bei winzigen Proteinkristallen oder nanostrukturierten Materialien können ultrakurze und ultraintensive Femtosekunden-Röntgenpulse die 3D-Struktur und sogar Informationen zum elektronischen Zustand der Kristalle erfassen, bevor die Proben beschädigt werden. Das aufgenommene Video kann als „schnell, genau und klar“ beschrieben werden.

Die Freie-Elektronen-Lasertechnologie befindet sich noch immer in einer Phase intensiver Entwicklung. In Zukunft wird es die Entwicklung der wissenschaftlichen Grundlagenforschung und die Erfindung hochmoderner Technologien erheblich vorantreiben und das menschliche Verständnis der materiellen Welt auf eine neue Stufe heben.

Dieser Artikel ist eine Arbeit, die vom Science Popularization China Creation Cultivation Program unterstützt wird

Autor: Luo Huiqian

Gutachter: Ji Yang, Forscher, Institut für Halbleiter, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

Hersteller: China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.