Freie-Elektronen-Laser

Mithilfe hochintensiver und ultrakurzer Röntgenblitze können Wissenschaftler sehr kleine Strukturen, wie etwa die von einzelnen Molekülen, mit hoher Zeitauflösung untersuchen. Wie solche Strahlungspulse in Freie-Elektronen-Lasern erzeugt werden, erklärte Jörg Rossbach von der Universität Hamburg in unserem Podcast.

Vor etwa einhundert Jahren hat der Physiker Wilhelm Conrad Röntgen die später nach ihm benannte Röntgenstrahlung entdeckt. Deren Wellenlängen messen zwischen etwa zehn Nanometern und einem Pikometer und sind damit etwas kleiner als die des sichtbaren Lichts. Seit vielen Jahren setzt man Röntgenstrahlung bereits ein, um Verborgenes sichtbar zu machen – etwa um Knochenbrüche zu untersuchen.

Jörg Rossbach

Jörg Rossbach: „Aber dass man nun die Röntgenstrahlung so gezielt maßschneidern kann, wie man das vielleicht für wissenschaftliche Anwendungen brauchen kann, das ist relativ neu.“

Die Wissenschaft profitiert enorm von der kurzwelligen Röntgenstrahlung, da sie die Abbildung extrem kleiner Strukturen ermöglicht. Das können sogar einzelne Moleküle sein. Für solche Zwecke setzen Forscher seit wenigen Jahren sogenannte Freie-Elektronen-Laser ein – wie beispielsweise den Freie-Elektronen-Laser in Hamburg, kurz FLASH, oder die Linac Coherent Light Source in Stanford, Kalifornien. An diesen Anlagen lässt sich Licht verschiedener Wellenlängen erzeugen, darunter auch Röntgenlicht.

„Die Wellenlängenbereiche – das ist einer der Vorteile beim Freie-Elektronen-Laser – liegen zwischen dem sichtbaren Licht, also irgendwo im Bereich von Mikrometern, bis runter zu Röntgenlicht. Man arbeitet vor allem deshalb in diesem Wellenlängenbereich, weil Freie-Elektronen-Laser vergleichsweise konkurrenzlos sind in diesem Bereich. Im optischen Bereich sind die klassischen Laser eigentlich wesentlich besser – oder mindestens genauso gut – und preiswerter.“

Für die Anwendung spielt letztlich jedoch nicht nur die Wellenlänge der erzeugten Strahlung eine Rolle, sondern auch die Belichtungszeit.

„Man kennt das beim Fotoapparat: Wenn die Belichtungszeit eben recht lang ist, dann verwackeln die Aufnahmen.“

Darum versucht man die Belichtungszeit zu minimieren, oder anders gesagt: möglichst kurze Röntgenstrahlungspulse zu erzeugen. Diese Pulse müssen um einige Größenordnungen kleiner sein als die typische Dauer des Blitzlichts einer herkömmlichen Kamera.

„Also wir reden da von ungefähr zehn, zwanzig Femtosekunden. Und eine Femtosekunde ist der milliardste Teil einer Millionstelsekunde.“

FLASH-Kontrollraum

Damit das erzeugte Bild trotz der kurzen Belichtungszeit nicht unterbelichtet ist, muss gleichzeitig dafür gesorgt werden, dass die Intensität der Strahlung möglichst groß ist.

„Die Intensität ist eigentlich die Leistung pro Flächeninhalt. Als Beispiel nehmen wir mal das, was die Sonne hier auf der Erde abliefert: ungefähr ein Kilowatt pro Quadratmeter. Und was solche Strahlungsquellen heutzutage liefern können, liegt eben mehr im Gigawattbereich. Ein Röntgen-Freie-Elektronen-Laser hat also eine Intensität, bei der mehr als ein Gigawatt – vielleicht auch zehn oder hundert Gigawatt – an Leistung auf einen Fleck geliefert werden, der kleiner sein kann als ein Mikrometer im Quadrat.“

Ein Freie-Elektronen-Laser besteht im Wesentlichen aus zwei Abschnitten. Im ersten Abschnitt wird ein stark fokussierter Elektronenstrahl erzeugt und mithilfe elektrischer Felder auf eine sehr hohe Energie gebracht.

„Das Entscheidende dabei ist eigentlich gar nicht mal die Energie, sondern die Geschwindigkeit, die die Elektronen haben müssen – die muss nämlich sehr, sehr nah an der Lichtgeschwindigkeit sein. Denn was wir für die Realisierung der Freie-Elektronen-Laser verwenden, sind Effekte der Relativitätstheorie. Und die treten eben erst auf, wenn sich die Teilchen nahezu mit Lichtgeschwindigkeit bewegen.“

Um später die kurzen Röntgenlichtpulse abgeben zu können, dürfen die Elektronen jedoch nicht als kontinuierlicher Strahl in den zweiten Abschnitt des Freie-Elektronen-Lasers eingeschossen werden, sondern ausschließlich in Form sehr kurzer Elektronenpakete. Ein solches Paket kann aus gut einer Milliarde einzelner Elektronen bestehen.

„Und das ist nun ein ganz großes Problem, denn würde man Elektronenpakete dieser Art an der Quelle erzeugen, dann würden die einem um die Ohren fliegen – wegen der abstoßenden Kräfte, die die Elektronen haben.“

Undulator bei FLASH

Um die gegenseitige Abstoßung der Elektronen zu unterdrücken, werden die Teilchen also zunächst auf nahezu Lichtgeschwindigkeit gebracht. Erst danach wird der Elektronenstrahl entlang seiner Flugrichtung komprimiert, und zwar bis auf eine Länge von nur wenigen Mikrometern.

„Das ist jetzt wiederum auch ein relativistischer Effekt, dass eben dann die abstoßenden Kräfte in ihrer Wirkung sehr stark unterdrückt werden.“

Im zweiten Teil des Freie-Elektronen-Lasers, im sogenannten Undulator, findet nun der eigentliche Laserprozess statt. Dabei wird ausgenutzt, dass geladene Teilchen, die sich in einem Magnetfeld bewegen, von ihrer ursprünglichen Bahn abgelenkt werden und dabei elektromagnetische Strahlung abgeben.

„Ein Undulatormagnet ist eine Aufeinanderfolge von sehr kurzen Ablenkmagneten, die ihre Richtung ständig ändern und dadurch den Elektronenstrahl auf eine sehr gleichmäßige Schlingerbewegung zwingen. Und wenn Elektronen auf einer gleichmäßigen Schlingerbewegung fliegen, dann strahlen sie eine sehr gleichmäßige Strahlung ab.“

Dass diese Strahlung eine Wellenlänge besitzt, die sehr viel kleiner ausfällt als die räumliche Undulatorperiode – also die Abstände zwischen den einzelnen Ablenkmagneten, aus denen der Undulator besteht –, lässt sich auf einen Effekt zurückführen, der als Längenkontraktion bekannt ist.

„Das ist eben so ein Trick, den man sich aus der Relativitätstheorie geborgt hat: Man nimmt einen Magneten, der eine räumliche Periode von einigen Zentimetern hat, und wenn die Elektronen da durchfliegen, hat die abgegebene Strahlung eben nicht die Wellenlänge von einigen Zentimetern, sondern von einigen Nanometern.“

Beugungsbild einer Nanostruktur

Nach diesem Prinzip funktionieren auch andere Röntgenquellen, wie beispielsweise PETRA III am Forschungszentrum DESY in Hamburg. Bei Freie-Elektronen-Lasern nutzen die Wissenschaftler noch einen weiteren physikalischen Kniff, um das erwünschte hochintensive Röntgenlicht zu erzeugen.

„Das große Geheimnis besteht darin, dass es entscheidend ist, ob die Elektronen, die abstrahlen, alle im Gleichtakt schwingen.“

Denn erst dadurch kommt es zu einer Verstärkung der elektromagnetischen Wellen. Vorstellen kann man sich das ganz ähnlich wie bei einer Wasserwelle. Schwingen alle Wasserteilchen auf einer entsprechend großen Skala im Gleichtakt – angetrieben zum Beispiel von einem Seebeben – so können sehr große Wellen und sogar Tsunamis entstehen, die eine sehr hohe Energie mitbringen. Die Skala, auf der die Elektronen diese sehr gleichmäßige und organisierte Schwingung ausführen müssen, entspricht in einem Freie-Elektronen-Laser gerade der gewünschten Wellenlänge, also einigen Nanometern.

„Man muss eigentlich nur den Trick kennen: Wie erreicht man, dass die Elektronen alle im Gleichtakt strahlen? Und dieser Trick ist eben gerade die geniale Erfindung des Freie-Elektronen-Lasers: Man lässt es die Elektronen selbst machen. Elektronen organisieren sich selbst so. Das machen sie in einem solchen Undulatorfeld – durch Wechselwirkung mit dem Strahlungsfeld, das da nun langsam entsteht.“

Experiment bei FLASH

Durch eben diese Wechselwirkung steigt die abgestrahlte Gesamtintensität nicht einfach linear mit der Anzahl der Elektronen im Undulator, sondern mit dem Quadrat der Anzahl der Elektronen.

„Das heißt, man gewinnt also plötzlich einen Faktor an Intensität, der der Anzahl der Elektronen entspricht. Und diese Anzahl ist nun eben nicht nur zwei oder drei oder zehn, sondern liegt im Millionenbereich.“

Die möglichen Anwendungen für Röntgen-Freie-Elektronen-Laser sind vielfältig. Gleichzeitig gibt es im Umgang mit ihnen noch viel zu lernen, gerade aufgrund der hohen Intensität der erzeugten Strahlungspulse.

„Das ist vielleicht vergleichbar mit dem Zustand, dass Sie bisher immer nur Kerzenlicht gekannt haben und plötzlich kommt jemand mit einem Flutlichtscheinwerfer aus dem Fußballstadion und sagt: ‚So, mach mal.‘ Und dann fragt man sich: ‚Ja, was soll ich denn jetzt eigentlich damit machen? Da darf ich noch nicht einmal reingucken, da mach ich mir die Augen kaputt…‘ Das hat also viele Jahre gedauert bis man überhaupt damit angefangen hat, das so zu handhaben, dass man damit gute Experimente machen kann. Und damit ist man noch lange nicht fertig. Das wird uns noch viele Jahre begleiten, die ganzen technischen Voraussetzungen dafür zu schaffen, um dann wirklich diese Strahlungsintensität vollständig auszunutzen.“