Metronom und Super-Kamera

Wenn es um den Vorstoß in die Welt der Atome und Moleküle geht, sind Laser heute unverzichtbar. Bestrahlt man Materialien mit Laserlicht, gibt der spektrale „Fingerabdruck“ der Elemente und Verbindungen Aufschluss über die Zusammensetzung einer Probe. Laserstrahlen dienen aber auch als Pinzetten zur Manipulation von Atomen, zur extremen Kühlung ganzer Teilchenwolken oder als Zeitgeber im Mikrokosmos.

Diese optischen Laser dienen als Taktgeber für die ultrakurzen Pulse des Röntgenlasers. © Greg Hren/ MIT

Das Laser-Metronom

Das genaueste Metronom der Welt ist kein schwingendes Pendel oder elektronisches Gerät – es ist ein Laser. Dieser hält den Takt auf zehn Attosekunden genau – das entspricht zehn trillionstel Sekunden. Dieser ultraschnelle Takt wird benötigt, wenn man molekulare Prozesse aufzeichnen will. Der Schlüssel zum Laser-Metronom sind die Photonen, die von den beiden Spiegeln im Lasermedium hin und her reflektiert werden.

Weil die Geschwindigkeit der Lichtteilchen dabei immer gleich bleibt, hat dieses Ping-Pong einen festen Takt. An einem Ende des Lasers treten bei jedem „Ping“ Photonen aus – die so erzeugten Laserpulse bilden quasi das Ticken des Laser-Metronoms. Wie präzise diese Pulsfolgen sind, haben Forscher am Massachusetts Institute of Technology (MIT) im Jahr 2012 erstmals ermittelt. Dafür ließen sie einfach zwei solcher hochpräzisen Lasertaktgeber im Gleichtakt laufen und verglichen ihre Pulse.

Genau bis in die Attosekunde

Das Ergebnis: Die im Attosekundenbereich tickenden Laser-Metronome liefen über immerhin tausend Pulse hinweg synchron. Das erscheint zwar auf den ersten Blick nicht lang, ist aber bei so schnellen Pulsen absoluter Rekord. Denn Atomuhren halten den Takt zwar erheblich länger, sie ticken dafür aber wesentlich langsamer.

Eingesetzt wird das Laser-Metronom unter anderem, um ultraschnelle und extrem kleine Abläufe in der Welt der Moleküle und Atome aufzuzeichnen. Der Takt eines optischen Lasers hilft hier dabei, jeweils rechtzeitig den Auslöser für das nächste Bild zu drücken. Die eigentliche Aufnahme macht dann ein energiereicher Röntgenlaser.

Schnappschüsse per Röntgenlaser

Mit Hilfe eines solchen Röntgenlasers gelang es Forschern Anfang 2015, den „heiligen Gral“ der Chemie zu knacken: Zum ersten Mal konnten sie Atome genau in dem Moment beobachten, in dem sie eine chemische Bindung eingehen. Dieser für die Chemie fundamentale Prozess dauert nur Sekundenbruchteile. Er galt daher bisher als viel zu flüchtig, um jemals direkt eingefangen zu werden.

Sauerstoffatome (rot) und Kohlenmonoxid im Übergang zur Bindung und damit zur chemischen Reaktion zu Kohlendioxid © SLAC National Accelerator Laboratory

Doch mit Hilfe zweier Laser gelang den Forschern um Anders Nilsson von der Universität Stockholm das scheinbar Unmögliche. Mit einem optischen Laser heizten sie Kohlenstoffmonoxid (CO) und Sauerstoffatome auf einer Oberfläche zunächst so stark auf, dass diese immer stärker vibrierten. Irgendwann war der Punkt erreicht, an dem das CO mit einem benachbarten Sauerstoffatom eine Bindung einging und zu Kohlendioxid (CO2) reagierte.

Diesen Moment fingen die Forscher mit ultrakurzen Pulsen eines Röntgenlasers ein. Die dabei entstehenden spektralen Schnappschüsse dieser „Laser-Kamera“ verrieten, wo sich die einzelnen Atome genau befanden und wie sich ihre Elektronenhülle im Moment der Bindung veränderte.

Röntgenlaser liefern aber auch Einblicke in die Struktur von Biomolekülen oder unterkühltem Wasser, erstellten erstmals ein Gruppenbild freier Moleküle und reproduzieren mit ihrer enormen Energie die extremen Bedingungen, wie sie im Inneren von großen Gasplaneten herrschen. Anfang 2020 gelang es Forschern zudem, den ultraschnellen Zerfall von Wassermolekülen einzufangen.

Nadja Podbregar