Gemeinsam mit dem Unternehmen IfG – Institute for Scientific Instruments GmbH wurde das Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI) für die Entwicklung einer lasergetriebenen Röntgenplasmaquelle mit dem Innovationspreis 2010 ausgezeichnet. Das neue kompakte Gerät liefert – von einem verstärkten Kurzpulslasersystem angetrieben – Impulse harter Röntgenstrahlung mit einer extrem kurzen Dauer von 100 fs (1 fs = 10-15s, 1 Milliardstel einer Millionstel Sekunde) und einer Repetitionsrate im Kilohertzbereich. Diese Röntgenimpulse sind mit den optischen Impulsen des verwendeten Lasersystems synchronisiert und gestatten die Durchführung von Röntgenbeugungsexperimenten höchster Zeitauflösung. „Der Erfolg ist das Ergebnis des engen Austauschs und der intensiven Zusammenarbeit von Grundlagenforschern und Ingenieuren am Standort Berlin-Adlershof“ betonten Prof. Norbert Langhoff (IfG) und Prof. Thomas Elsässer (MBI) bei der Entgegennahme des Preises.
Innovationspreis Berlin Brandenburg für Femtosekunden-Röntgenquelle zur Untersuchung molekularer Strukturen in Echtzeit
In vielen Bereichen, etwa der molekularen Biologie, der Nanotechnologie oder der Sensortechnik sind grundlegende Eigenschaften und technische Funktionen mit Bewegungen von Molekülen oder Atomschichten verknüpft. Diese vollziehen sich extrem schnell auf unvorstellbar kleinem Raum. Um solche Prozesse zu verstehen und ihre Funktion zu optimieren, muss man ihren Ablauf sichtbar machen. Dazu braucht man eine 'Kamera', die eine ultraschnelle Folge von Schnappschüssen des Systems erzeugt und damit seine momentane Struktur abbildet. Dieser Traum lässt sich mit der ausgezeichneten Femtosekunden-Röntgen-Plasmaquelle verwirklichen, die die direkte Abbildung ultraschneller atomarer und molekularer Bewegungen mit höchster Zeitauflösung gestattet.
Ultrakurze Röntgenimpulse werden in der Plasmaquelle durch die Bestrahlung eines Metalltargets, z.B. eines Kupferbandes, mit hochintensiven ultrakurzen Lichtimpulsen aus einem kommerziellen Lasersystem erzeugt. Im hohen elektrischen Feld der Laserimpulse werden Elektronen stark beschleunigt und erzeugen nach dem Eindringen in das Metall sog. charakteristische Röntgenstrahlung, ähnlich dem Prinzip einer konventionellen Röntgenröhre. Da der treibende Laserimpuls nur ca. 50 fs andauert, sind die Beschleunigung der Elektronen und damit die Dauer der Röntgenerzeugung auf dieses extrem kurze Zeitintervall begrenzt. Zur Herstellung einer Abfolge von Röntgenschnappschüssen wird der zu untersuchende Prozess mit einem ultrakurzen Lichtimpuls gestartet und der Röntgenimpuls zu einer bestimmten Verzögerungszeit an der angeregten Probe gebeugt. Durch Variation der Verzögerungszeit im Experiment entsteht eine Abfolge von Schnappschüssen, das 'Röntgen-Movie'.
Die hier entwickelte Technologie ist international konkurrenzlos und hat entscheidend zur führenden Stellung des MBI in der zeitaufgelösten Strukturforschung beigetragen. So wurde die kürzlich erstmals demonstrierte Femtosekundenbeugung an kristallinen Pulvern in der Fachpresse als herausragender Durchbruch gewürdigt. Die Arbeiten am MBI werden u.a. durch einen Advanced Grant for Pioneering Frontier Research des European Research Councils gefördert. Als neue Anwendungsfelder erschliesst die Innovation die Materialforschung, Nanotechnologie, Chemie und Pharmazie. Das Gerät wurde bisher vier Mal realisiert, ggw. werden Verkaufsverhandlungen mit vier weiteren Kunden geführt. Der erzielte Umsatz beläuft sich auf ca. 2 Mio Euro netto.
Weitere Informationen:
Kontakt
Prof. Dr. Thomas Elsässer, (030) 6392 1401
Prof. Dr. Norbert Langhoff, IfG, (030) 6392 6500