Röntgenlaser des Forschungszentrums DESY schafft neue Einblicke in die Wechselwirkung von Licht und Materie

Ein internationales Forscherteam um WissenschaftlerInnen der Technischen Universität Berlin und der Universität Rostock konnte mit dem Röntgenlaser FLASH (ein neuartiges Röntgen-Mikroskop des Forschungszentrums DESY in Hamburg) die ultraschnelle lichtgetriebene Explosion von Nanopartikeln aus Xenon beobachten. Die Untersuchung dieser sogenannten Xenon-Cluster liefert neue Einblicke in die fundamentale Wechselwirkung von intensivem Licht mit Materie, wie die Wissenschaftler im Fachblatt „Physical Review Letters“ berichten.

Mit den Röntgenblitzen des Röntgenlasers FLASH brachten die Forscher die Xenon-Cluster zur Explosion. Mit einem Ionenspektrometer konnten die Wissenschaftler die Explosionsbruchstücke beobachten.  Abb. 2 (Bild: Daniela Rupp / TU Berlin)Mit den Röntgenblitzen des Röntgenlasers FLASH brachten die Forscher die Xenon-Cluster zur Explosion. Mit einem Ionenspektrometer konnten die Wissenschaftler die Explosionsbruchstücke beobachten. Abb. 2 (Bild: Daniela Rupp / TU Berlin)
„Cluster sind von grundlegender Bedeutung für diese Untersuchung“, erklären Daniela Rupp von der Technischen Universität Berlin und Thomas Fennel von der Universität Rostock. „Sie weisen eine hohe Dichte auf und sind in der Gasphase gleichzeitig sehr gut von der Umgebung isoliert, wodurch eine ungestörte Analyse möglich wird.“ Die Forscher erzeugten die Cluster, indem sie kaltes Xenon-Gas unter Druck ins Vakuum bliesen. „Dabei kühlt das Gas weiter ab, so dass sich zunächst Tröpfchen bilden, die gefrieren und weiter zusammenklumpen, ähnlich wie ein Hagelkorn“, beschreibt Rupp.
Diese etwa 400 Nanometer (millionstel Millimeter) kleinen Xenon-Nanopartikel beschossen die Forscher mit den ultrakurzen, intensiven FLASH-Laserblitzen, die für einige billiardstel Sekunden eine Intensität von bis zu 500 Billionen Watt pro Quadratzentimeter erreichten, erläutert Ko-Autor Rolf Treusch von DESY, Forschungskoordinator bei FLASH. Zum Vergleich: Sonnenlicht hat auf dem Erdboden eine Intensität von etwa 0,1 Watt pro Quadratzentimeter. Der helle Strahlungsblitz entriss den Xenon-Atomen im Cluster zahlreiche Elektronen und es bildete sich ein Plasma – ein heißes Gas aus elektrisch geladenen Atomen, sogenannten Ionen, und darum herum flitzenden Elektronen (Abb. 1).
Die Physiker konnten in ihrer Versuchsanordnung (Abb. 2) die Entwicklung individueller Xenon-Cluster verfolgen und deren Größe sowie die genaue Energie bestimmen, mit der sie getroffen wurden. „Dies wurde möglich, da wir sowohl Momentaufnahmen der Cluster vor ihrer Zerstörung machen konnten, als auch die Ladungszustände der Bruchstücke nach der Explosion präzise vermessen", berichtet Rupp.

Abb. 1 (Bild: Uni Rostock / Thomas Fennel): Explodierender Xenon-Cluster mit freigesetzten Elektronen (blau).Abb. 1 (Bild: Uni Rostock / Thomas Fennel): Explodierender Xenon-Cluster mit freigesetzten Elektronen (blau).
Bei diesen Untersuchungen identifizierten die Wissenschaftler unter anderem eine bislang nicht beachtete Heizung in dem Plasma: „Jedes Mal, wenn sich ein Elektron wieder mit einem Xenon-Atom verbindet, gibt es Energie an das umgebende Plasma ab”, erläutert Fennel. „Dadurch bekommen am Ende solche Xenon-Ionen, die nicht mit Elektronen rekombinieren, prozentual mehr Energie – die Elektronen heizen diese Ionen quasi auf.”
„Die Ergebnisse lassen sich hervorragend mit der Theorie vereinbaren“, erklärt Fennel weiter. „Berücksichtigt man in der Theorie diese sogenannte ‘Rekombinationsheizung’, beschreibt sie genau unsere Beobachtungen. In dieser Untersuchung ergänzen sich theoretische Physik und Experimentalphysik in ausgezeichneter Weise.”
Neben den WissenschaftlerInnen der TU Berlin, der Universität Rostock und bei DESY, waren an der Arbeit ForscherInnen von der La Trobe University in Australien, dem US-Forschungszentrum SLAC in Kalifornien, dem Helmholtz-Zentrum Berlin, der Universität Münster und dem Argonne National Laboratory in den USA beteiligt.

Kontakt:
Technische Universität Berlin
Dr. Daniela Rupp
Arbeitsgruppe „Cluster und Nanokristalle“
Institut für Optik und Atomare Physik
Tel.: 030 314 23008
Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!
www.cluster-ag.tu-berlin.de

Universität Rostock
Dr. Thomas Fennel
Arbeitsgruppe „Theoretische Clusterphysik und Nanophotonik“
Institut für Physik
Tel.: 0381 498 6815
Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!
www.physik.uni-rostock.de/clustertheorie

Originalarbeit:
Recombination-enhanced surface expansion of clusters in intense soft X-ray laser pulses; Daniela Rupp, Leonie Flückiger, Marcus Adolph, Tais Gorkhover, Maria Krikunova, Jan Philippe Müller, Maria Müller, Tim Oelze, Yevheniy Ovcharenko, Benjamin Röben, Mario Sauppe, Sebastian Schorb, David Wolter, Rolf Mitzner, Michael Wöstmann, Sebastian Roling, Marion Harmand, Rolf Treusch, Mathias Arbeiter, Thomas Fennel, Christoph Bostedt, and Thomas Möller; „Physical Review Letters“, 2016

DOI: 10.1103/PhysRevLett.117.153401

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