Blick ins Innere von Werkstoffen bis auf atomare Ebene hinunter

Forschern am Paul Scherrer Institut PSI ist gelungen, was Wissenschaftler weltweit für unmöglich hielten: mittels Röntgenlaser in Werkstoffe hineinzusehen und hochauflösende Videos von atomaren Vorgängen aufzunehmen. Laut den beteiligten Forschern ein Meilenstein.

Nach solchen Verfahren besteht zunehmend Bedarf, da die Strukturen von Mikrochips immer winziger werden: Mittlerweile werden ganze Enzyklopädien auf fingernagelgrosse magnetische Scheiben geschrieben, wie es in einer Mitteilung des PSI vom Donnerstag heisst. "Wenn man aber die technische Miniaturisierung weitertreiben will, muss man solche Phänomene auf atomarer Ebene verstehen", so das PSI.

Möglich macht das eine Methode mit der Bezeichnung Transient Grating Spectroscopy, wie die Forschenden in der neuesten Ausgabe von "Nature Photonics" berichten. Neu sei die Methode nicht, so Cristian Svetina vom PSI, "sie wird seit Jahrzehnten im optischen Bereich mit grossen Erfolgen eingesetzt“. Das Besondere sei die Kombination und Erweiterung bekannter Methoden aus der nichtlinearen Laserphysik mit dem Röntgenlicht aus dem neuen Freie-Elektronen-Röntgenlaser SwissFEL.

"In dieser Kombination ist das sowohl neu als auch überraschend". Zahlreiche andere Forscherteams weltweit hätten erfolglose Versuche damit unternommen. Schliesslich wurde sogar angezweifelt, dass diese neuen Experimente bei den hohen Energien von Röntgenstrahlung überhaupt erfolgreich sein können. "Das Team am PSI hat bewiesen: Ja, es geht".

Röntgenstrahlen sind genauer als Laser

Laser können in eine Probe nur mit einer begrenzten Auflösung von Hunderten Nanometern hineinschauen. Deshalb benötigt man Röntgenstrahlen. Den Forschern am PSI ist es nun erstmals gelungen, die Transient Grating Spectroscopy auch für einen Röntgenlaser zugänglich zu machen und das gleich mit sehr harten Röntgenstrahlen mit einer Wellenlänge von 0,17 Nanometern, was etwa dem Durchmesser mittelgrosser Atome entspricht.

Das Geheimnis des Erfolgs liegt gemäss Svetina in der Geduld: "Wir sind schrittweise vorgegangen und wollten nicht alles auf einmal versuchen". Die Forscher begannen vor fünf Jahren mit sichtbaren Licht und gingen dann schrittweise auf ultraviolettes und Röntgenlicht über. Geübt wurde erst an einer Goldfolie, mittlerweile konnte an einer Probe aus Bismut-Germanat gezeigt werden, "dass die Methode alle Hoffnungen bezüglich Auflösung, Messtempo und Elementselektivität erfüllt".

In einem nächsten Schritt wollen Svetina und sein Team noch dieses Jahr auch den Blitz der Kamera, der zur Zeit noch aus dem Laser kommt, durch einen Röntgenstrahl zu ersetzen. Behilflich ist ein internationaler Forscher-Pool mit Wissenschaftlern unter anderem von der ETH Lausanne (EPFL), dem MIT in den USA und dem Fermi-FEL in Italien. Und das Interesse wächst: Neu haben sich zwei kalifornische, ein japanisches und ein deutsches Team dem Projekt angeschlossen.

*Fachartikelnummer DOI: 10.1038/s41566-021-00797-9

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