Karl-Scheel-Sitzung und Preis 2018

Untersuchungen mit Röntgenbeugung haben ganz wesentlich zu unserem heutigen Verständnis vom Aufbau der Materie beigetragen. Durch die Entwicklung besonders intensiver, kurzpulsiger Röntgenquellen, den Freie-Elektronen-Lasern im kurzwelligen Spektralbereich, ist es heute sogar möglich einzelne, nicht-kristalline Nanopartikel, wie zum Beispiel ein isoliertes Virus in freiem Flug aber auch besonders kurzlebige, fragile Objekte wie rotierende, superfluide Helium-Nanotröpfchen, zu „fotografieren“.

Bei diesem Verfahren werden die Proben von der intensiven Röntgenstrahlung zwar vollständig zerstört, die Idee ist aber, dass der Hauptteil der Zerstörung erst nach der Beleuchtung geschieht – man spricht hier vom Diffraction Before Destruction Prinzip. Dennoch sind bestimmte „Fehler“ in der Bildaufnahme gar nicht zu vermeiden – sehr schnelle Veränderungen in der elektronischen Struktur, wie zum Beispiel Anregungs- und Ionisationsprozesse, geschehen nämlich zeitgleich mit der Streuung des Lichts und verändern die Streubilder.

In unserer Forschung drehen wir diesen Spieß um und machen uns die Empfindlichkeit des gestreuten Lichts auf Änderungen der elektronischen Struktur zunutze. Unser Ziel ist es, ein fundamentales Verständnis der Dynamiken in hochangeregter Materie auf der Nanoskala zu entwickeln. Dazu versuchen wir, „Filme“ von den schnellen Prozessen in einzelnen, nanoskaligen Teilchen aufzunehmen – also diese räumlich und zeitlich aufzulösen. Um jedoch die schnellsten Dynamiken, die der Elektronen, untersuchen zu können, sind noch kürzere Pulse nötig, als Freie-Elektronen-Laser sie derzeit liefern. Deshalb könnte sich unser jüngster experimenteller Durchbruch als sehr nützlich auf dem Weg zu diesem Ziel erweisen. Zum ersten Mal konnten wir am Max-Born-Institut in Berlin einzelne, freie Nanoteilchen mit einer laborbasierten Quelle, sogenannten Höheren Harmonischen abbilden. Solche lasergenerierten, kurzwelligen Pulse halten derzeit den Rekord der kürzesten Pulsdauern – wenn es gelingt, sie für zeitaufgelöste Abbildungsexperimente nutzbar zu machen, werden sich uns ganz neue Einblicke in die Elektronendynamik auf der Nanoskala eröffnen.