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Forschung:
Erste
ultrakurz gepulste Röntgenstrahlen
 Deutsch-österreichisches
Physikerteam erzeugt erstmals laserähnliche
Röntgenstrahlen, die außergewöhnliche
Anwendungsmöglichkeiten
versprechen
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Deutsch-österreichisches
Physikerteam erzeugt erstmals laserähnliche
Röntgenstrahlen, die außergewöhnliche
Anwendungsmöglichkeiten versprechen
Das erste
kompakte Gerät, das einen laserartigen
Röntgenstrahl für eine Wellenlänge von einem
Nanometer erzeugt, haben Physiker vom
Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching
unter der Leitung von Prof. Ferenc Krausz 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.
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 (Nature, 10.
Februar 2005). 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.
Das
deutsch-österreichische Forscherteam 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 He-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.
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Bild:
J. Seres, Technische Universität
Wien
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Abb.:Das violette Licht
entsteht aus Heliumatomen, die durch intensives
Laserlicht angeregt werden. Der Laserpuls breitet
sich entlang der Achse des violetten Flügels
(horizontal) durch das Heliumgas aus. Den gleichen
Weg nimmt der nicht sichtbare Röntgenstrahl
gebündelt in einem Durchmesser von nur einigen
hundert Mikrometern.
Bild: J. Seres, Technische Universität
Wien 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 10 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.
[TN]
Originalveröffentlichung:
J. Seres, E. Seres, A.J. Verhoef, G.
Tempea, C. Streli, P. Wobrauschek, V. Yakovlev, A.
Scrinzi, C. Spielmann, F. Krausz
Source of
coherent kiloelectronvolt X-rays
Nature 433,
596, 10 January February
2005 Weitere
Informationen erhalten Sie
von:
Prof. Ferenc Krausz
Max-Planck-Institut für
Quantenoptik,
Garching
phone: 089 32905-612
Fax: 089
32905-314
E-Mail: mpq.mpg.de">ferenc.krausz mpq.mpg.de
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Aktualisiert Mittwoch,
16. Februar 2005 Geschrieben
von Pressemitteilung, Max-Planck-Gesellschaft zur
Förderung der Wissenschaften e.V., Dr. Andreas Trepte,
15.02.2005 474
Mal gelesen
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