Forschung mit Synchrotronstrahlung in Deutschland 2009 - SNI-Portal

Abbildung 1Blitzaufnahmen bei FLASHEin Meilenstein auf dem Weg zur Methode der hochauflösendenRöntgenmikroskopie gelang Forschern am Freie-Elektronen-Laser FLASH bei DESY in Hamburg.Bei der Abbildung kleinster Objekte in einem Mikroskop begrenztdie zur Abbildung verwendete Optik neben der Wellenlängedes Lichts die Schärfe des Bildes. Mit zunehmenderAuflösung wird es immer schwieriger, eine geeignete Optik zubauen.Daher haben Wissenschaftler des Teams um Henry Chapmanin ihren Arbeiten im Jahre 2006 die Strahlungspulse desFreie-Elektronen-Lasers FLASH bei DESY in Hamburg verwendet,um mit Hilfe der sogenannten Abbildung durch Streuungmit kohärenter Strahlung ohne abbildende Optiken auszukommen.Sie nutzten dabei die Laserlichtartigkeit (Kohärenz) derStrahlung aus. Die Arbeit wurde in Nature veröffentlicht.Experimentell ist das Verfahren leicht zu verstehen: Zunächstwurde mit Hilfe eines Nanostrukturierungsverfahrensdie Testprobe hergestellt (zwei Strichmännchen unter der Sonnein einer dünnen Siliziumnitridmembran). Der ultrakurze Laserpulsvon FLASH wurde leicht auf diese Probe fokussiert und belichtetesie für etwa 25 billiardstel Sekunden (25 fs) – eine Zeit,in der die Bewegung der Atome eingefroren ist. Das von derProbe gestreute Licht wurde dann über einen Spiegel auf einenDetektor gelenkt, während der direkte ungestreute Strahl durchein Loch im Spiegel weitergeleitet wurde. Auf diese Weise entstandein Streubild, das mit Hilfe des Computers zurückgerechnetwerden kann. Das rekonstruierte Bild zeigt eine hoheDetailtreue und hat eine Ortsauflösung von 62 nm, was etwaeinem Tausendstel einer Haaresbreite entspricht.Die kurze Belichtungszeit und hohe Ortsauflösung hat hierjedoch ihren Preis: Die Intensität im FEL-Puls war so hoch, dasssich die Probe auf ca. 60.000 Grad erhitzte bevor sie verdampfte.Die Kürze des beleuchtenden Pulses reichte jedoch aus, zuvorein scharfes Bild aufzuzeichnen. Die Ortsauflösung ist hierdurch die Wellenlänge der Laserstrahlung und den beleuchtetenÖffnungswinkel des Detektors beschränkt und hat damitdas Potential, in Zukunft am European XFEL erheblich gesteigertzu werden.Mit diesem Experiment wurden sowohl die Abbildung miteinzelnen FEL-Pulsen demonstriert als auch Modelle zur Entstehungvon Strahlenschäden bei Beleuchtung mit intensiverFreie-Elektronen-Laserstrahlung verifiziert. Es stellt somit einenMeilenstein auf dem Weg zur hochauflösenden Röntgenmikroskopiedar, insbesondere für strahlenempfindliche biologischeProben, die während längerer Belichtung zerstört würden undsomit nicht mit herkömmlichen Verfahren abgebildet werdenkönnen. Durch geeignete mit dem Laserpuls synchronisierte Anregungder Probe, etwa durch einen ebenso kurzen Laserpulsim sichtbaren Bereich, können mit dieser Methode auch strukturelleVeränderungen auf atomarer Zeitskala ermittelt werden.Ziel ist es, die Ortsauflösung zu erhöhen, bis hin zur Wellenlängeder eingesetzten Strahlung, die für harte Röntgenstrahlungim atomaren Bereich liegt.Abbildung 2Abbildung 3Abbildung 1:Der Freie-Elektronen-Laserstrahl(von links) wirdauf eine Testprobe gebündelt,die aus zwei Strichmännchenund einerSonne besteht. Die Längedes Balkens im Bild entsprichteinem Mikrometer.Die von der Probe gestreuteLaserstrahlungwird mit Hilfe eines Spiegelsauf einen Detektorreflektiert, während derungestreute Strahl, derden Detektor in hohemMaße überbelichtenwürde, durch ein Loch imSpiegel weitergeleitetwird.Abbildung 2:Streubild der Testprobe,das mit einem einzigenPuls von ca. 25 FemtosekundenLänge aufgezeichnetwurde.Abbildung 3:Bild der Probe, das ausdem Streubild mit Hilfedes Computers rekonstruiertwurde.WissenschaftlicheVeröffentlichung:Henry Chapman, et al.:Femtosecond diffractiveimaging with a soft-X-rayfree-electron laser.Nature Physics 2 839-843(2006)Synchrotronstrahlung 2009 33