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Samstag, 21.01.2017
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Atome als Antennen

Laserähnliche Röntgenstrahlen versprechen außergewöhnliche Anwendungen

Das erste kompakte Gerät, das einen laserartigen Röntgenstrahl für eine Wellenlänge von einem Nanometer erzeugt, haben jetzt Physiker vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching in Zusammenarbeit mit Kollegen der Technischen Universität Wien und der Universitäten Würzburg und München entwickelt. Damit sind sie dem Traum vieler Radiologen und Biologen von einer kompakten "Lichtquelle", die ultrakurz gepulste Röntgenstahlen in einer Richtung wie Laserlicht aussendet, ein Stück näher gekommen.
Laserpuls

Laserpuls

Die Wissenschaftler sind sich sicher, dass eine solche Quelle es in Zukunft ermöglichen wird, Röntgenbilder mit weit höherer Auflösung bei gleichzeitig stark reduzierter Strahlendosis gegenüber der heutigen Bilderstellung zu erzeugen. Für die Krebsfrüherkennung würde das eine dramatische Reduktion des Risikos bedeuten. Mit einer solchen Strahlenquelle ausgestattete Mikroskope würden es ermöglichen, Biomoleküle in ihrer natürlichen Umgebung mit einer Auflösung im Nanometerbereich zu analysieren.

Die Farbe des Lichtes wird durch die Zykluslänge einer elektromagnetischen Welle, der so genannten Wellenlänge, festgelegt. Rotes Licht hat eine Wellenlänge von etwa 700 Nanometern, während violettes Licht mit einer Wellenlänge von etwa 400 Nanometer vom menschlichen Auge gerade noch wahrgenommen wird. Licht mit kürzeren Wellenlängen (ultraviolettes Licht) ist unsichtbar, und wenn sich der Wellenzyklus auf weniger als einen Nanometer verkürzt, ist der Röntgenstrahlenbereich erreicht.

Oszillationen durch Laserstrahl


Das deutsch-österreichische Forscherteam unter der Leitung von Prof. Ferenc Krausz fokussierte eine Sequenz von intensiven ultrakurzen Blitzen von rotem Licht auf Heliumgas, um 700-Nanometer Laserlicht in 1-Nanometer Röntgenlicht umzuwandeln, das von den angeregten Helium-Atomen ausgestrahlt wird. Das hochintensive Laserfeld bewirkt gigantische Oszillationen der negativ geladenen Elektronenwolke um den positiv geladenen Atomkern und verwandelt dadurch die Atome zu Antennen.


Wegen der sehr großen Amplituden ihrer Schwingungen, strahlen die Atome nicht nur mit der Wellenlänge des antreibenden Lasers (700 Nanometer) sondern auch mit kürzeren Wellenlängen. Da die Antennen im Gleichtakt durch das Laserfeld angesteuert werden, wird der Zeittakt auch beim Abstrahlen der Wellen beibehalten. Die winzigen "atomaren" Wellen sind zwar außerordentlich schwach, aber sie addieren sich, da sie alle im Takt schwingen. Damit entsteht eine Röntgenwelle von signifikanter Intensität, die in einem gerichteten Strahl parallel zum einfallenden Laserlicht ausgesandt wird.

Ultrakurze Laserpulse durchstoßen Barriere


Das oben beschriebene Phänomen ist nicht neu. Es handelt sich dabei um eine Standard-Technik für die routinemäßige Erzeugung laserähnlicher ultravioletter Strahlung für einen Wellenlängenbereich von 100 Nanometer bis unterhalb von zehn Nanometer. Es wird jedoch immer schwerer, die Grenzen dieser Technologie zu kürzeren Wellenlängen hin zu verschieben, da durch das starke Laserfeld mehr und mehr Elektronen aus den Atomen gerissen werden, die dann den Aufbau einer intensiven Welle aus schwachen "atomaren" Wellen behindern.

Die Arbeitsgruppen haben diese Probleme jetzt gelöst, indem sie die Atome mit den weltweit kürzesten hochintensiven Laserpulsen bestrahlten. Die Pulsdauer betrug nur noch fünf millionstel einer milliardstel Sekunde (= fünf Femtosekunden). Diese Pulse treffen die Atome so abrupt, dass Elektronen vor dem Aussenden der Röntgenstrahlen nicht aus den Atomen gerissen werden können.

Dank dieser extrem kurzen Wechselwirkungszeit schafften es die Forscher nicht nur die Nanometerbarriere zu durchstoßen, ihre Röntgenstrahlenquelle dürfte auch erstmalig Röntgenpulse mit einer Pulsdauer von kürzer als 0,1 Femtosekunden (= 100 Attosekunden) realisieren. Der von der neuen Quelle gelieferte Röntgenstrahl ist gegenwärtig noch zu schwach für praktische Anwendungen. Aber die Forscher sind überzeugt, dass technische Verbesserungen die Leistung der Röntgenstrahlen um einige Größenordnungen erhöhen werden. Wenn dieses Kunststück gelungen ist, sind die Forscher überzeugt, dass das neue "Werkzeug" völlig neue Möglichkeiten auf verschiedenen Gebieten der Physik, Biologie und Materialwissenschaften bieten wird.
(MPG, 17.02.2005 - NPO)
 
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