PSI-Forschende blicken erstmals in Welt der Atome

26. April 2021 10:50

Villigen AG - Forschenden des Paul Scherrer Instituts (PSI) ist gelungen, woran andere Teams weltweit bisher gescheitert sind: ins Innere von Werkstoffen zu blicken. Mithilfe von speziellen Röntgenstrahlen und einem Laserblitz können sie atomare Vorgänge in Bildern und Videos festhalten.

Ein Team des Paul Scherrer Instituts (PSI) macht atomare Vorgänge im Inneren von Werkstoffen erstmals sichtbar. Wie es in einer Medienmitteilung des PSI heisst, habe die weltweite akademische Gemeinschaft nach ausnahmslos misslungenen Versuchen die Hoffnung zum Teil bereits aufgegeben, dass dies möglich sei. Die Forschenden des PSI haben nun bewiesen, dass das geht.

Das Besondere der Versuchsanordnung am PSI sei die Kombination und Erweiterung bekannter Methoden aus der nichtlinearen Laserphysik – unter Verwendung von Röntgenlicht aus dem neuen Freie Elektronen-Röntgenlaser SwissFEL des PSI und einem Laserblitz. Ihre herausragende Leistung besteht darin, dass sie sogenannte Transient Grating Spectroscopy auch für einen Röntgenlaser zugänglich machten.

Damit wird es erstmals möglich, in Werkstoffe hineinzuschauen, mit einer Auflösung bis hinunter zu einzelnen Atomen. Die ultrakurzen Belichtungszeiten von Bruchteilen von Femtosekunden (eine millionstel Milliardstelsekunde) erlaubt es sogar, Videos aufzunehmen. Ausserdem sei die Methode elementselektiv: man kann in einem Gemisch aus Stoffen gezielt bestimmte chemische Elemente vermessen.

Ein weiterer grosser Vorteil dieser Methode ist, dass sie kein unerwünschtes Hintergrundsignal erzeugt. „Wenn die Atome angeregt sind, sieht man ein Signal, sind sie nicht angeregt, sieht man nichts“, erläutert Cristian Svetina vom PSI. Er hat sich diese Methode gemeinsam mit Kollegen der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne, des amerikanischen Massachusetts Institute of Technology (MIT), des Fermi-FEL in Triest und weiteren internationalen Partnern ausgedacht. Die Studie wurde jetzt im Fachmagazin „Nature Photonics“ publiziert.

Ihren Erfolg wollen die Forschenden noch in diesem Jahr mit einem letzten Schritt krönen: Auch der Laserblitz soll durch einen Röntgenstrahl ersetzt werden. Dafür haben sich die beiden im kalifornischen Stanford ansässigen Institute LCLS-SLAC und PULSE, SPRING8-RIKEN in Japan und FLASH-DESY in Deutschland dem Team angeschlossen. mm

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