Das COLTRIMS-Reaktionsmikroskop am European XFEL

Es gilt als das „beste Auge“ für die „beste Lichtquelle“: das COLTRIMS-Reaktionsmikroskop für den European XFEL. Konstruiert und aufgebaut wird es von Forschern aus Frankfurt, finanziert vom BMBF. In Zukunft soll das Instrument ultraschnelle Prozesse in kleinen Molekülen sichtbar machen.

Die beste Lichtquelle der Welt, so sprechen Wissenschaftler schon jetzt vom Freie-Elektronen-Laser European XFEL – obwohl diese hochmoderne Großforschungsanlage in Hamburg und Schenefeld erst 2017 starten wird. Ihre ultrakurzen und extrem intensiven Röntgenblitze sind die Grundlage dafür, ultraschnelle Vorgänge im Mikrokosmos in trillionenfacher Zeitlupe zu filmen. Doch die Lichtquelle allein reicht dafür nicht. Um das Winzige sehen zu können, brauchen die Physiker spezielle Instrumente, die gleichzeitig als Mikroskop und Kamera dienen.

Eine solche Kombination aus Mikroskop und Kamera bringen Forscher nun von Frankfurt am Main an den European XFEL. Reinhard Dörner, Professor für Atomphysik an der Universität Frankfurt, nutzt die sogenannte COLTRIMS-Technologie, um Moleküle gewissermaßen sichtbar zu machen. Bau und Installation des neusten COLTRIMS-Reaktionsmikroskops werden seit 2013 vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert.

Molekülexplosion im COLTRIMS

Mit einem gewöhnlichen Lichtmikroskop hat das von Dörner entwickelte Mikroskop aber wenig zu tun. „Mit unserem Reaktionsmikroskop schauen wir auf indirekte Weise hin. Wir zersplittern zunächst das Molekül mit Röntgenstrahlung und setzen es dann wieder zusammen“, erläutert Dörner. „Stellen Sie sich vor, eine Leuchtrakete explodiert und die einzelnen leuchtenden Kügelchen regnen entsprechend ihrer Anordnung in der Rakete herunter. Sammeln Sie nun die Brocken aus ihrem Vorgarten auf und untersuchen die Einschlaglöcher, so können Sie errechnen wie die Rakete aussah – beziehungsweise das Molekül!“

Im Reaktionsmikroskop sammeln zwei etwa handtellergroße Detektoren die Molekültrümmer auf – einer die Elektronen, ein gegenüberliegender die Atomkerne. Dabei messen sie die Flugzeiten und Auftrefforte der Trümmer. Aus diesen Daten können die Forscher am Computer die Flugbahnen aller Fragmente rekonstruieren und auf ihren Ursprungsort zurückschließen. Auf diese Weise entschlüsseln sie den Aufbau des intakten Moleküls.

Die neuste Ausführung des Reaktionsmikroskops verspricht aber mehr als nur Standbilder von vor der Explosion. Die Forscher können damit ultraschnelle molekulare Prozesse filmen, wenn sie die Moleküle künftig mit der Strahlung des European XFEL zerteilen. Auf diese Weise will das Team um Dörner baldmöglichst ein Phänomen aus der Quantenmechanik untersuchen, die sogenannte Verschränkung. Dabei sind zwei oder mehrere Teilchen so miteinander verknüpft, dass eine Messung an einem der Teilchen den Zustand der anderen Teilchen instantan, also ohne Zeitverzögerung, festlegt – egal wie weit diese voneinander entfernt sind. Inzwischen ist der Effekt experimentell belegt und wird unter anderem zur Verschlüsselung von Daten genutzt.

Montage am Vakuumsystem

„Solche Effekte, die es im Alltag nicht annähernd gibt, dominieren das Verhalten von kleinen Molekülen“, sagt Dörner zur Verschränkung. „Und kleine Moleküle können wir besonders gut mit unserem Reaktionsmikroskop untersuchen“. So fanden die Physiker aus Frankfurt bereits verschränkte Zustände im dreiatomigen Stickstoffmolekül, das den Hauptbestandteil der Luft ausmacht. „Vom Stickstoff konnten wir damals leider nur ein Standbild nehmen“, erzählt Dörner. Mit dem COLTRIMS-Mikroskop am XFEL könnten die Forscher lange Sequenzen von zeitversetzten Schnappschüssen aufnehmen und zu einem Film zusammenfügen.

An der Universität Frankfurt entstanden inzwischen acht Exemplare des COLTRIMS-Reaktionsmikroskops. Einige davon befinden sich in Institutslaboren, andere nehmen die Forscher bei der Reise an die großen Forschungszentren weltweit ins Gepäck, um an den einzigartigen Anlagen zu experimentieren. Der Transport sei dabei das kleinere Problem. „Es kostet uns jedes Mal drei Tage wertvolle Strahlzeit bis so ein COLTRIMS-Mikroskop an einem Forschungszentrum läuft. Und das Licht am XFEL wird besonders teuer“, erklärt Dörner.

Im Herbst dieses Jahres wird das Instrument an der Großforschungsanlage in Hamburg und Schenefeld installiert. „Dank BMBF kann unser neuestes Reaktionsmikroskop permanent am XFEL angedockt bleiben. So macht man die Testphasen nur einmal – genau wie die Fehler, die man sonst jedes Mal beim Einrichten macht.“ Dörner sieht darin auch Vorteile für die internationale Wissenschaft und den Standort Schenefeld: „Es ist dann eine ‚Nutzer-Endstation’. Das heißt, wer immer auf der Welt eine spannende Forschungsfrage hat, die das XFEL-Komitee überzeugt, kann kommen und mit unserem COLTRIMS-Mikroskop experimentieren.“ Dabei gebe es durchaus Fragen, die sich nur mit dieser einzigartigen Kombination aus Instrumenten beantworten ließen. „Die Nachfrage wird entsprechend groß sein.“