Algorithmus erhöht die zeitliche Auflösung von Röntgenlasern um das 300-Fache Mathematik schärft Blick in Moleküle - scinexx | Das Wissensmagazin
Anzeige
Anzeige

Algorithmus erhöht die zeitliche Auflösung von Röntgenlasern um das 300-Fache

Mathematik schärft Blick in Moleküle

Freie-Elektronen-Laser erreichen zwar schon zeitliche Auflösungen im Femtosekunden-Bereich, doch Ungenauigkeiten erschweren die Interpretation. Diese Illustration zeigt ein Elektron, das gerade im Undulator eines solchen Lasers beschleunigt wird. © DESY

Schnelle Schnappschüsse: Dank Mathematik können Forscher künftig besser ergründen, was bei ultraschnellen chemischen Reaktionen geschieht. Denn ein neuer Algorithmus hilft dabei, die Schnappschüsse der Röntgenlaser zeitlich zu sortieren. Das klärt die Reihenfolge bestimmter Abläufe und erhöht die zeitliche Auflösung um immerhin das 300-Fache, wie die Wissenschaftler im Fachmagazin „Nature“ berichten.

Chemische Reaktionen laufen unvorstellbar schnell ab, sie ereignen sich innerhalb von Femtosekunden. Bisher gelingt es deshalb selbst Röntgenlasern nur ansatzweise, die Teilchenbewegungen bei diesen Prozessen abzubilden, beispielsweise bei der Bildung von Kohlendioxid. Denn sie erzeugen nur Momentaufnahmen, die nachträglich zu einem Ablauf zusammengefügt werden müssen.

Chaotische Schnappschüsse

Dabei gibt es jedoch ein Problem: Für jedes Bild muss die fragliche Reaktion neu von einem optischen Laser angestoßen werden, der Röntgenlaser blitzt dann jedes Mal ein wenig später und erstellt so seine Schnappschüsse. Der jeweilige Aufnahmezeitpunkt lässt sich dadurch nicht ganz exakt bestimmen, so dass die zeitliche Abfolge der Röntgenlaser-Bilder nicht immer klar erkennbar ist.

Chemische Reaktionen und Umlagerungen in Molekülen laufen oft zu schnell ab, um sie prolemlos einzufangen. © SLAC National Accelerator Laboratory /CC-by-sa 2.0

„Die zeitliche Unschärfe ist in vielen Bereichen der Wissenschaft ein Fluch“, sagt Abbas Ourmazd von der University of Wisconsin. „Man hat zwar eine Menge Daten, aber ohne genauen Zeitstempel. Alle uns bisher bekannten experimentellen Lösungen haben es nicht geschafft, eine Zeitauflösung von besser als etwa 14 Femtosekunden zu liefern.“ Die meisten Anwendungen liegen sogar nur bei rund 60 Femtosekunden.

Punkte in zwölf Millionen Dimensionen

Doch Ourmazd und seine Kollegen haben nun für dieses Problem eine Lösung gefunden – auf mathematischem Wege. Sie entwickelten einen Algorithmus, mit dessen Hilfe sie die Abfolge vorhandener Daten ermitteln und so die zeitliche Auflösung beträchtlich erhöhen können. Die einzelnen Schnappschüsse werden dazu mathematisch als einzelne Punkte in einem hochdimensionalen Raum dargestellt – mit bis zu rund zwölf Millionen Dimensionen.

Anzeige

Mit Hilfe mathematischer Mustererkennungsprozesse reduzieren die Forscher dann die Zahl der Dimensionen, indem sie gekrümmte mehrdimensionale Flächen suchen, auf denen die Punkte liegen. Ziel ist es dabei, eine eindimensionale Kurve zu finden, auf der alle Punkte liegen. Denn auf ihr sind die Punkte dann zeitlich geordnet. „Die Methode hat ein unglaubliches Potenzial“, erläutert Robin Santra vom Deutschen Elektronen Synchrotron (DESY) in Hamburg.

Blick in die Beschleunigerhalle des Röntgenlasers LCLS © SLAC National Accelerator Laboratory /CC-by-sa 2.0

Stickstoff-Ionen als Testobjekt

Getestet haben die Forscher ihren Algorithmus an Daten, die US-Forscher mit dem Freie-Elektronen-Röntgenlaser LCLS des National Accelerator Laboratory in Kalifornien erhoben hatten. Sie hatten damit die Bildung doppelt elektrisch geladener Stickstoffmoleküle unter Röntgenstrahlung untersucht. Doch ihre Schnappschüsse zeigten unterschiedlicher Schwingungszustände intakter und auseinandergebrochener Stickstoffmoleküle, ohne dass deren zeitliche Reihenfolge erkennbar war.

Ourmazd und seinen Kollegen gelang es nun mit Hilfe ihres Algorithmus, die Schwingungsbewegungen der Moleküle mit einer Genauigkeit von einer Femtosekunde zu bestimmen. Damit konnten sie das dynamische Verhalten der Stickstoffmoleküle mit einer um den Faktor 300 verbesserten Präzision rekonstruieren.

Vielseitig einsetzbar

„Diese Methode hat das Zeug, die Forschung an Freie-Elektronen-Lasern zu revolutionieren“, sagt Santra. Und sie hat einen großen Vorteil: Sie benötigt keine aufwendigen technischen Lösungen, sondern setzt stattdessen geschickt mathematische Operationen ein. „Dieser Weg ist nicht nur einfacher, sondern auch noch erfolgreicher, weil die Ergebnisse viel exakter sind“, so der Physiker.

Einsetzen lässt sich die Methode künftig überall dort, wo extrem schnelle Prozesse ablaufen, beispielsweise bei Reaktionen in der Biologie und Chemie, aber auch bei elektrochemischen Anwendungen, industriellen Prozessen oder bei der Erforschung ungewöhnlicher Materiezustände, wie sie im Inneren von Planeten oder Sternen auftreten. Und noch einen Vorteil gibt es: Liegen genügend Daten vor, können auch bereits erfolgte Experimente mit diesem Verfahren nachträglich ausgewertet werden. (Nature, 2016; doi: 10.1038/nature17627)

(Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY, 02.05.2016 – NPO)

Anzeige

In den Schlagzeilen

Diaschauen zum Thema

Dossiers zum Thema

Laser - Die Kraft des Lichts und ihre Nutzung

LHC: Auf dem Weg zu neuer Physik? - Was der Neustart der "Weltmaschine" über unser Universum verraten könnte

Das Wesen des Lichts - Ein kosmisches Phänomen mit vielen Rätseln

Als die Atome Schalen bekamen - 100 Jahre Bohrsches Atommodell

Die Ordnung der Dinge - Dmitri Mendelejew und die Suche nach dem Periodensystem der Elemente

Rätsel Wasser - Ein Lösungsmittel mit Geheimnissen

News des Tages

Supernova

Supernova schuld an Massenaussterben?

Klimawandel bringt mehr starke El Ninos

Bücher zum Thema

Quarks, Atome, Moleküle - Auf der Jagd nach den kleinsten Bausteinen der Welt von Gerhard Staguhn

Zuckersüße Chemie - Kohlenhydrate & Co von Georg Schwedt

Chemie erleben - von Edgar Wawra, Helmut Dolznig und Ernst Müllner

Laser - Grundlagen und Anwendungen in Photonik, Technik, Medizin und Kunst von Dieter Bäuerle

Top-Clicks der Woche

Anzeige
Anzeige