Die Röntgenblitze des European XFEL ermöglichen es, chemische Reaktionen mit atomarer Auflösung zu filmen, ebenso Bewegungen von Biomolekülen oder die Entstehung von Feststoffen. Aber auch in vielen anderen Bereichen ermöglicht die Anlage völlig neue Forschungsmethoden.

Der European XFEL erschließt neue Experimentierfelder, die heute noch gar nicht zugänglich sind – für fast alle Naturwissenschaften. Dank seiner hohen zeitlichen und räumlichen Auflösung, die um mehrere Größenordnungen über der herkömmlicher Röntgenquellen liegt, können die Forscher auch dynamische Prozesse verfolgen, beispielsweise bei der Bildung von Materie. Bisher hingegen konnten meistens nur die statischen Eigenschaften von Materie untersucht werden.

Einige Beispiel aus der Vielzahl von Forschungsthemen für den Röntgenlaser:

Femtochemie: Chemische Reaktionen filmen

„Filmen“ von chemischen Reaktionen mit ultraschnellen Lasern

In der Femtochemie jonglieren die Forscher mit winzigen Bruchteilen von Sekunden, um den Ablauf chemischer Reaktionen zu verfolgen. „Femto“ bedeutet Billiardstel und Femtosekunden sind die zeitliche Größenordnung, in der Veränderungen auf atomarer Ebene ablaufen, wenn zwei Moleküle miteinander reagieren.

Ultraschnelle Laser fungieren als „Kameras“, die Momentaufnahmen von chemischen Reaktionen mit Belichtungszeiten im Bereich von Femtosekunden machen. Das Prinzip: Ein erster Laserblitz löst eine photochemische Reaktion aus, ein zweiter blitzt sie unmittelbar darauf. Der zweite Blitz muss präzise einstellbar sein, um den „Schnappschuss“ jeweils zu einem bestimmten Zeitpunkt auszulösen. Eine Serie solcher Momentaufnahmen mit verschiedenen Zeitabständen zwischen dem ersten und dem zweiten Blitz ergibt einen Film vom Reaktionsablauf.

Der Röntgenlaser kann solche Filme aus dem Mikrokosmos mit bislang unerreichter Detailtreue und Zeitauflösung aufnehmen. Er erzeugt extrem intensive Röntgenstrahlung und ist hervorragend fokussierbar. Ein einziger Laserblitz hat eine so hohe Leuchtstärke, dass er die reagierenden Moleküle mit atomarer räumlicher Auflösung abbilden kann. Die Blitzdauer beträgt etwa 100 Femtosekunden – das ist die Zeitspanne, in der die Veränderungen während der Molekülreaktionen ablaufen. Der Zeitabstand zwischen zwei Laserblitzen – also zwischen dem Auslösen der Reaktion und der Bildaufnahme – kann systematisch und auf eine Billionstel Sekunde genau verändert werden. Die Röntgenlaserblitze ermöglichen es damit, den genauen Verlauf einer chemischen Reaktion zu verfolgen und zu verstehen – Reaktionen, die beispielsweise in Optoelektronik, Photovoltaik, Brennstoff- oder Solarzellen ihre Anwendung finden.

Strukturbiologie: Lichtblicke ins Biomolekül

Struktur eines Protein-DNA-Komplexes

Mit dem intensiven Röntgenlicht aus Teilchenbeschleunigern lässt sich heute die Struktur von Biomolekülen im Detail analysieren. Die Voraussetzung: Aus möglichst vielen der normalerweise in Wasser gelösten Moleküle muss ein fester Kristall „gezüchtet“ werden, damit sich die einzelnen Signale so verstärken, dass schließlich ein brauchbares Bild entsteht. Das Problem: Die Kristallisation ist sehr mühsam und nur bei etwa der Hälfte aller biologisch relevanten Substanzen überhaupt möglich.

Der Röntgenlaser eröffnet völlig neue Möglichkeiten, um biologische Strukturen mit atomarer Auflösung zu entschlüsseln – ohne den Umweg über die Kristallisation. Denn die Röntgenlaserblitze sind so intensiv, dass sich ein hoch aufgelöstes Bild von einem einzelnen Molekülkomplex erzeugen lässt. Die Blitzdauer ist nicht länger als 100 Femtosekunden (Billiardstel Sekunden) und damit kurz genug, um das Bild aufzunehmen, bevor die Probe von der intensiven Röntgenstrahlung zerstört wird.

Wirkung intensiver Röntgenstrahlung auf ein Biomolekül

Mit heutigen Techniken lassen sich große Molekülkomplexe nur sehr schwer untersuchen. Der Röntgenlaser bietet neue Möglichkeiten, größere biologische Strukturen wie einzelne Viruspartikel im atomaren Detail abzubilden. Zudem lassen sich mit den ultrakurzen Röntgenblitzen Bewegungen von Molekülen zeitaufgelöst verfolgen. Solche neuen Einsichten, beispielsweise in den molekularen Ablauf von Infektionen, bilden auch eine wichtige Grundlage, um neue Medikamente zu entwickeln.

Materialforschung: Neue Werkstoffe entwickeln

Verschiedene Modelle für die Stick-Slip-Reibung

Beispiel Reibung: Beim Bremsen ist Reibung sehr erwünscht – nicht jedoch, wenn Räder rollen und Motoren wie geschmiert laufen sollen. Um Werkstoffe zu verbessern und zu entwickeln, müssen Materialforscher Prozesse wie Reibung und Verschleiß auf atomarer Ebene verstehen. In dünnen Gleitfilmen beispielsweise, die eingesetzt werden, um die Abnutzung von Werkstoffen zu verringern, tritt die so genannte Stick-Slip-Reibung auf. Das abwechselnde „Kleben“ und „Rutschen“ wird vermutlich dadurch verursacht, dass der hauchdünne Gleitfilm im Wechsel gefriert und schmilzt. Solche Übergänge von einer Phase in eine andere lassen sich mit Röntgenstrahlung analysieren. Allerdings sind die zu untersuchenden Filme extrem dünn und die technologisch interessanten Materialien wie Metalle und Keramiken bieten nur auf der Skala von einigen hundert Atomen eine ebene Fläche für die Bildaufnahme.

Heutige Röntgenquellen können nicht in derart kleine Dimensionen vorstoßen – der Röntgenlaser schon. Außerdem ermöglichen seine extrem kurzen Lichtblitze Messungen mit so hoher Zeitauflösung, dass sich die Dynamik der Stick-Slip-Reibung wie in einem Film verfolgen lässt.

Mit den Lichtpulsen des Röntgenlasers können sehr schnelle Übergänge zwischen verschiedenen Materiezuständen untersucht werden. Dies ist auch die Grundlage, um maßgeschneiderte Materialien im Nanobereich, also mit Abmessungen von Milliardstel Metern, für die Elektronik der Zukunft zu entwickeln.

Clusterphysik: Wenn weniger mehr ist

Cluster aus 17000 Kupfer-Atomen (Modell)

Zwölf Fünf- und 20 Sechsecke: das klassische Design eines Fußballs. Ersetzt man die Lederecken durch Kohlenstoffatome, entsteht ein „Fußballmolekül“, ein „Buckyball“, im Fachjargon: ein Buckminsterfulleren. Molekulare Fußbälle sind eine ganz und gar ungewöhnliche Form des Kohlenstoffs. Sie gehören zur Kategorie der Cluster, winzigen Klümpchen aus Atomen oder Molekülen. Zu klein, um ein Kristall zu sein, zeigt Materie im Clusterzustand völlig neue, teils unerwartete Eigenschaften. Kohlenstoffkugeln und -röhrchen können beispielsweise als Halbleiter fungieren und sind aussichtsreiche Kandidaten für Bauteile der Nanotechnik.

In dem intensiven Licht des Röntgenlasers können Cluster eine Vielzahl ihrer ungewöhnlichen Materialeigenschaften zeigen. Die hohe Leuchtstärke ist erforderlich, weil sich viele Cluster nur in Form von hochverdünnten Gasstrahlen herstellen lassen. Um die wenigen Atom- oder Molekülklümpchen überhaupt mit Röntgenlicht messtechnisch erfassen zu können, müssen die Physiker sie mit sehr viel Licht bestrahlen.

Ein erstes Clusterexperiment an dem Freie-Elektronen-Laser der TESLA-Testanlage bei DESY hat ein internationales Wissenschaftlerteam bereits in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht. Anhand von Clustern aus dem Edelgas Xenon konnten die Forscher erstmalig die Wechselwirkung von Materie mit intensivem Röntgenlicht aus einem Freie-Elektronen-Laser auf extrem kurzen Zeitskalen untersuchen. Die Physiker benutzen die Edelgascluster als Modellsubstanzen, um grundlegende Vorgänge zu verstehen, die für die spätere Untersuchung von technologisch interessanten Werkstoffen oder medizinisch wichtigen Biomolekülen mit dem Röntgenlaser relevant sind.

Plasmaphysik: der etwas andere Zustand

Erzeugung und Untersuchung von Plasmen mit dem XFEL

Wasser ist flüssig, Eis ist fest und Wasserdampf ist gasförmig – Zustände, wie sie jeder kennt. Im festen Zustand sind Atome oder Moleküle zumeist in regelmäßigen Kristallgittern angeordnet, im flüssigen Zustand sind ihre Bindungen weitaus lockerer und im gasförmigen Zustand können sie sich weitgehend frei bewegen. Doch es gibt noch einen vierten Zustand der Materie, der weitaus exotischer anmutet: das Plasma, ein ionisiertes, heißes Gas. Bei unseren normalen Umgebungstemperaturen ist es ein Ausnahmezustand. Steigen die Werte jedoch auf einige tausend Grad, werden Atome ionisiert – Elektronen werden aus der Atomhülle abgespalten. Das heiße Gas wird dadurch elektrisch leitend, ein Plasma entsteht.

In der Technik spielen Plasmen eine große Rolle. Computerchips beispielsweise können mit Plasmaätzverfahren hergestellt werden, neue Werkstoffe werden mit Plasmabrennern erzeugt. In Sternen existiert die Materie im Plasmazustand. Eine besondere Herausforderung der Plasmaphysik ist es, die kontrollierte Kernfusion zu realisieren, also die Energieerzeugung nachzuahmen, die im Inneren von Sternen wie unserer Sonne abläuft.

Der Röntgenlaser bietet ganz neue Möglichkeiten, um Eigenschaften und Prozesse in Plasmen zu untersuchen: Seine extrem hohe Strahlungsintensität erlaubt es, mit einem einzigen ultrakurzen Röntgenlichtblitz heißes Plasma zu erzeugen und zugleich – mit einem zweiten unmittelbar darauf folgenden Blitz – eine hochauflösende Momentaufnahme des exotischen Materiezustands zu machen.

Femtosekunde

Eine Femtosekunde ist die wissenschaftliche Bezeichnung für eine Billiardstel Sekunde, also 0,000 000 000 000 001 s. Wie extrem kurz dies ist, verdeutlicht folgender Vergleich: In einer Sekunde legt das Licht die Entfernung Erde-Mond zurück. In einer Femtosekunde dagegen kommt es gerade einmal 0,3 Mikrometer, d.h. drei Zehntausendstel Millimeter weit – eine Strecke, die deutlich geringer ist als die Dicke eines menschlichen Haars.