HELMHOLTZ extrem
Zwei Blitze - ein Weltrekord!
FLASH-Tunnel am gelben Teilchenbeschleuniger-Modul 6. Bild: DESY 2012
Der schnellste und detailgenauste Film der Welt, den Helmholtz-Wissenschaftler Anfang 2012 entwickelt haben, hat es bis ins Guinness Buch der Rekorde geschafft. Der Streifen wurde mit zwei Laserblitzen aus dem Röntgenlaser FLASH am Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY geschossen. Besonders Berliner dürfen sich freuen, war doch ihr Brandenburger Tor das Filmmotiv.
Zugebenermaßen, so richtig spannend ist der Film nicht. Das Brandenburger Tor auf dem Hologramm bewegt sich nämlich nicht. Dennoch handelt es sich um einen Film, nur das er rund 800 Milliarden Mal so schnell ist wie ein normaler Kinofilm. Die zeitliche Bildabstandsfolge beträgt lediglich 50 billiardstel Sekunden oder wie die Forscher sagen 50 Femtosekunden. Die hohe räumliche Auflösung von 10-9 Meter ermöglicht es den Wissenschaftlern kleinste Strukturen im Nanobereich auf den Bildern zu erkennen. Mit speziellen Verfahren sind sogar Filme über Elektronen möglich.
Das Ziel der Forscher ist es, Prozesse auf der molekularen und atomaren Ebene zu beobachten, zu verstehen und langfristig gezielt zu verändern. Besonders spannend sind dafür die Übergänge von einem zu einem anderen Zustand – wie bei ultraschnellen molekularen Prozessen in Zellen oder chemischen Reaktionen. So könnte man das Aufbrechen eines Wassermoleküls in seine zwei Bestandteile Sauer- und Wasserstoff beobachten. Deswegen brauchen die Forscher eigentlich keine Spielfilme, sondere eher Kurzfilme. Sie wären schon mit drei Bildern zufrieden: Start – Reaktion – Abschluss. Ein Film mit 10 Bildern wäre dann schon ein Spielfilm. Technisch gesehen, könnte man wahrscheinlich in der Zukunft bis zu 100 Bilder produzieren.
Die Forscher nutzten als Filmstudio den Röntgenlaser FLASH am DESY – einen Freien-Elektronen-Laser, der die ultrakurzen, hochintensiven Blitze aus weichem Röntgenlicht für die Aufnahmen erzeugt. Insgesamt besteht die 315 Meter lange Anlage aus drei Komponenten: Ein Beschleuniger bringt die Elektronen knapp an die Lichtgeschwindigkeit heran. Danach fliegen die Teilchen durch „Undulatoren“. Dieser Anlagenteil besteht aus vielen hundert Magnetpaaren, die die Elektronen auf einen Slalomkurs zwingen. Dabei senden die Teilchen kurze, starke Laserblitze aus, die letztendlich in die Experimentierhalle geleitet werden.
Das Ziel der Forscher ist es, Prozesse auf der molekularen und atomaren Ebene zu beobachten, zu verstehen und langfristig gezielt zu verändern. Besonders spannend sind dafür die Übergänge von einem zu einem anderen Zustand – wie bei ultraschnellen molekularen Prozessen in Zellen oder chemischen Reaktionen. So könnte man das Aufbrechen eines Wassermoleküls in seine zwei Bestandteile Sauer- und Wasserstoff beobachten. Deswegen brauchen die Forscher eigentlich keine Spielfilme, sondere eher Kurzfilme. Sie wären schon mit drei Bildern zufrieden: Start – Reaktion – Abschluss. Ein Film mit 10 Bildern wäre dann schon ein Spielfilm. Technisch gesehen, könnte man wahrscheinlich in der Zukunft bis zu 100 Bilder produzieren.
Die Forscher nutzten als Filmstudio den Röntgenlaser FLASH am DESY – einen Freien-Elektronen-Laser, der die ultrakurzen, hochintensiven Blitze aus weichem Röntgenlicht für die Aufnahmen erzeugt. Insgesamt besteht die 315 Meter lange Anlage aus drei Komponenten: Ein Beschleuniger bringt die Elektronen knapp an die Lichtgeschwindigkeit heran. Danach fliegen die Teilchen durch „Undulatoren“. Dieser Anlagenteil besteht aus vielen hundert Magnetpaaren, die die Elektronen auf einen Slalomkurs zwingen. Dabei senden die Teilchen kurze, starke Laserblitze aus, die letztendlich in die Experimentierhalle geleitet werden.
Zentraler Teil des Hologramms vom Brandenburger-Tor-Modell. Bild: Stefan Eisebitt/HZB
Für das Experiment im Jahr 2012 teilten die Forscher den Strahl des Röntgenlasers in zwei Blitze. Der eine Blitz wurde über einen kleinen Umweg von nur 0,015 Millimetern geschickt und traf 50 Femtosekunden später auf das Testobjekt als der erste. Das Testobjekt bestand aus einer dünnen Metallfolie. In diese hatte die AG am Institut für Optik und Atomare Physik der TU Berlin das Brandenburger Modell als Filmmotiv mit Hilfe einer lithographischen Methode hineingeschnitten. Wie bei einer Kamera mussten nun die Bilder noch aufgenommen und gespeichert werden. Da sich kein Detektor so schnell auslesen lässt, speicherten die Wissenschaftler beide Aufnahmen als überlagerte Hologramme, aus denen sie die Einzelbilder anschließend rekonstruieren konnten.
Spätesten ab dem Jahr 2017 bricht am DESY in Hamburg das „atomare Filmzeitalter“ aus. Dann nimmt der Europäische Freie-Elektronen-Laser XFEL seine Arbeit auf. Die räumliche Auflösung wird bei XFEL um den Faktor 10 bis 100 höher als bei FLASH1 und 2 sein. Die Wissenschaftler werden dann Details von Viren und Zellen sowie chemischen Reaktionen in einer bis dahin unvergleichbaren Detailschärfe beobachten und filmen können.
Spätesten ab dem Jahr 2017 bricht am DESY in Hamburg das „atomare Filmzeitalter“ aus. Dann nimmt der Europäische Freie-Elektronen-Laser XFEL seine Arbeit auf. Die räumliche Auflösung wird bei XFEL um den Faktor 10 bis 100 höher als bei FLASH1 und 2 sein. Die Wissenschaftler werden dann Details von Viren und Zellen sowie chemischen Reaktionen in einer bis dahin unvergleichbaren Detailschärfe beobachten und filmen können.
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