Ein Forschungsteam der Universität Hamburg und seiner Partner hat einen bedeutenden Fortschritt erzielt: Es ist gelungen, mit einzelnen Attosekunden-Röntgenpulsen Bilder von einzelnen Nanopartikeln aufzunehmen. Dieser Erfolg ermöglicht hochauflösende Momentaufnahmen dynamischer Phänomene wie chemischen Reaktionen und Phasenübergängen mit einer bislang unerreichten zeitlichen Präzision.
Die 2023 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnete Attosekunden-Wissenschaft, revolutioniert das Verständnis darüber, wie sich Elektronen in Atomen, Molekülen und Festkörpern bewegen. Eine Attosekunde erlaubt es, extrem schnelle natürliche Prozesse in Zeitlupe zu visualisieren. Bisher waren die meisten Experimente im Bereich der Attosekunden auf spektroskopische Messungen beschränkt, da die Lichtpulsquellen dafür limitiert waren.

Mit dem leistungsstarken Freie-Elektronen-Röntgenlaser (FEL) am SLAC National Laboratory in Kalifornien untersuchte das Hamburger Team die Wechselwirkungen ultrakurzer Pulse mit Nanopartikeln. Dabei entdeckten sie ein bisher unerforschtes Phänomen: flüchtige Ionenresonanzen, die die Röntgenbildhelligkeit von Nanoteilchen erhöhen. Diese Resonanzen treten auf, wenn FEL-Pulse kürzer sind als in den meisten bisherigen Experimenten verwendet, und steigern erheblich die Effizienz der Röntgenstreuung. Diese Entdeckung verbessert nicht nur die Qualität und Detailgenauigkeit von Beugungsbildern, sondern stellt auch einen entscheidenden Schritt zur Bildgebung im atomaren Maßstab dar.

"Wir waren zunächst verwundert über die unerwartet starken Röntgen-Beugungssignale bei unseren Experimenten an der Linac Coherent Light Source", sagt Tais Gorkhover, eine der Hauptautorinnen der Studie von der Universität Hamburg und Forscherin im Exzellenzcluster "CUI: Advanced Imaging of Matter". "Nach strengen Qualitätskontrollen unserer Daten und einer unabhängigen Überprüfung durch Simulation konnten wir den Effekt bestätigen." Treffen intensive Röntgenpulse auf Materie, werden die Elektronen – die Hauptakteure der Röntgenbeugung – in der Regel durch Ionisierung freigesetzt, wodurch Ionen zurückbleiben, die die Röntgenstrahlen weniger effektiv streuen. Die aktuelle Studie zeigt jedoch, dass diese Ionen unter extrem kurzen und gezielt abgestimmten FEL-Pulsen ihre Beugungseffizienz erheblich steigern können.

"Diese Entdeckung bietet einen neuartigen Ansatz, um sowohl die Helligkeit als auch die Auflösung von Röntgenbeugungsbildern zu verbessern", erklärt Stephan Kuschel, der Erstautor der Studie. "Diese Technik eröffnet die Möglichkeit, ultraschnelle Prozesse wie chemische Reaktionen und katalytische Umwandlungen in ihrer natürlichen Umgebung mit bemerkenswerter zeitlicher Auflösung sichtbar zu machen."

Die Ergebnisse unterstreichen, wie wichtig es ist, die technologischen Grenzen der Röntgenbildgebung zu erweitern, um die unsichtbare Dynamik der Materie zu enthüllen. Bei weiteren Fortschritten verspricht dieser Durchbruch Auswirkungen in Bereichen wie Chemie, Materialwissenschaft und Nanotechnologie. "Dies ist ein Schritt in Richtung des ultimativen Ziels, einzelne Atome in Bewegung zu erfassen", so die Forschenden. "Durch die Feinabstimmung der Röntgenpulsbedingungen werden wir in der Lage sein, Details zu beobachten, die bisher unerreichbar waren."


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https://www.cui-advanced.uni-hamburg.de/research/wissenschaftsnews/25-01-21-attosecond-imaging.html

Quelle: Universität Hamburg (01/2025)


Publikation:
https://doi.org/10.1038/s41467-025-56046-y
https://www.nature.com/articles/s41467-025-56046-y