Streubild aus Daten des Freien-Elektronen-Lasers FLASH

Nanowissenschaft: Blitzaufnahmen bei FLASH

Ein Meilenstein auf dem Weg zur Methode der hochauflösenden Röntgenmikroskopie gelang Forschern am Freie- Elektronen-Laser FLASH bei DESY in Hamburg: Innerhalb einiger billiardstel Sekunden konnten sie eine scharfe Abbildung ihres Untersuchungsobjekts herstellen.

Streubild der Testprobe
Vor einem blaugrünen Rauschen befindet sich ein helles gelb-oranges Kreuz.

Bei der Abbildung kleinster Objekte in einem Mikroskop begrenzt die zur Abbildung verwendete Optik - wie etwa Blenden und Linsen – neben der Wellenlänge des Lichts die Schärfe des Bildes. Mit zunehmender Auflösung wird es immer schwieriger, eine geeignete Optik zu bauen.

Daher haben Wissenschaftler des Teams um Henry Chapman in ihren Arbeiten im Jahre 2006 die Strahlungspulse des Freie-Elektronen-Lasers FLASH bei DESY in Hamburg verwendet, um mit Hilfe der sogenannten Abbildung durch Streuung mit kohärenter Strahlung ohne abbildende Optiken auszukommen. Sie nutzten dabei die Laserlichtartigkeit (Kohärenz) der Strahlung aus.

Gelb-rotes Kreuz aus Licht auf blauem Hintergrund
Versuchsaufbau

Das experimentelle Vorgehen ist leicht zu verstehen: Zunächst wurde mit Hilfe eines Nanostrukturierungsverfahrens die Testprobe hergestellt: zwei Strichmännchen unter der Sonne in einer dünnen Siliziumnitridmembran. Der ultrakurze Laserpuls von FLASH wurde leicht auf diese Probe fokussiert und belichtete sie für etwa 25 Femtosekunden (25 billiardstel Sekunden) – eine Zeit, in der die Bewegung der Atome eingefroren ist. Das von der Probe gestreute Licht wurde dann über einen Spiegel auf einen Detektor gelenkt, während der direkte ungestreute Strahl durch ein Loch im Spiegel weitergeleitet wurde. Auf diese Weise entstand ein Streubild, das mit Hilfe des Computers zurückgerechnet werden kann.

Das rekonstruierte Bild zeigt eine hohe Detailtreue und hat eine Ortsauflösung von 62 Nanometern, was etwa einem Tausendstel einer Haaresbreite entspricht. Die kurze Belichtungszeit und hohe Ortsauflösung hat hier jedoch ihren Preis: Die Intensität im Puls des Freien-Elektronen-Lasers (FEL) war so hoch, dass sich die Probe auf etwa 60.000 Grad erhitzte bevor sie verdampfte. Die Kürze des beleuchtenden Pulses reichte jedoch aus, zuvor ein scharfes Bild aufzuzeichnen. Die Ortsauflösung ist hier durch die Wellenlänge der Laserstrahlung und den beleuchteten Öffnungswinkel des Detektors beschränkt und hat damit das Potenzial, in Zukunft am European XFEL erheblich gesteigert zu werden.

Bild von zwei Strichmännchen und einer Sonne in der Testprobe. Im Streubild sind die gleichen Figuren in hell vor dunklem Hintergrund zu sehen.
Original und Rekonstruktion

Mit diesem Experiment wurden sowohl die Abbildung mit einzelnen FEL-Pulsen demonstriert als auch Modelle zur Entstehung von Strahlenschäden bei Beleuchtung mit intensiver Freie-Elektronen-Laserstrahlung verifiziert. Es stellt somit einen Meilenstein auf dem Weg zur hochauflösenden Röntgenmikroskopie dar, insbesondere für strahlenempfindliche biologische Proben, die während längerer Belichtung zerstört würden und somit nicht mit herkömmlichen Verfahren abgebildet werden können. Durch geeignete mit dem Laserpuls synchronisierte Anregung der Probe, etwa durch einen ebenso kurzen Laserpuls im sichtbaren Bereich, können mit dieser Methode auch strukturelle Veränderungen auf atomarer Zeitskala ermittelt werden. Ziel ist es, die Ortsauflösung zu erhöhen, bis hin zur Wellenlänge der eingesetzten Strahlung, die für harte Röntgenstrahlung im atomaren Bereich liegt.

Veröffentlichung

„Femtosecond diffractive imaging with a soft-X-ray free-electron laser“, Henry Chapman, et al.;  Nature Physics 2 839-843, DOI: 10.1038/nphys461, 2006.