Arbeitsgruppe Helml
Eine Synchrotronstrahlungsquelle wie DELTA eignet sich unter anderem sehr gut dafür, besonders kurze und intensive Röntgenpulse abzustrahlen. Noch kürzere Röntgenpulse können heutzutage an sogenannten „Freie-Elektronen-Lasern“ (engl. free-electron lasers, FELs) erzeugt werden. Einer der modernsten Röntgen-FELs ist der European X(-ray)FEL, der in Hamburg seinen Ursprung hat und mit seinen Experimentierstationen bis nach Schenefeld in Schleswig-Holstein reicht.
In unserer Arbeitsgruppe verwenden wir diese ultrakurzen Röntgenpulse, um physikalische Prozesse auf der fundamentalen Ebene der elektronischen Übergänge in einzelnen Atomen oder Molekülen mit der Technik der zeit- und winkelaufgelösten Elektronenspektroskopie zu untersuchen. Man kann sich das so ähnlich vorstellen wie ein Mikroskop, das mit einer sehr genauen Stoppuhr verbunden ist. Damit kann man hochauflösende Bilder der betrachteten Systeme schießen, nur dass in unserem Fall die „Bilder“ aus den Energieverteilungen von durch die Röntgenpulse in der Probe freigesetzten Elektronen bestehen. Diese winkelabhängigen Elektronenspektren halten den elektronischen Zustand des Systems zu einem bestimmten Zeitpunkt fest. Wenn man nun mehrere solcher Aufnahmen zeitlich aneinander reiht, bekommt man quasi ein Video des beobachteten Vorgangs.
Dies erfordert eine ultrahohe zeitliche Auflösung für die Erzeugung und Bereitstellung der Röntgenpulse auf der Attosekunden-Zeitskala. Eine Attosekunde entspricht 10-18 Sekunden — anschaulich verhält sich eine Attosekunde also zu einer Sekunde, wie eine Sekunde zum gesamten Alter des Universums! Mit den von uns am LCLS bei Stanford, USA, und am European XFEL mitentwickelten Methoden zur Röntgenpulserzeugung und -vermessung können wir dann Experimente durchführen, die die Elektronendynamik von einfachen Anregungsprozessen in Atomen bis hin zu komplexen Abläufen in organischen Molekülen oder sogar in lebenden Zellstrukturen sichtbar machen. Damit erhoffen wir uns letztendlich ein besseres Verständnis der untersuchten Systeme, sowohl hinsichtlich ihrer detaillierten quantenmechanischen Beschreibung als auch für ihre chemische, biologische und zelluläre Funktionsweise.