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Scharfer Blick in die Welt der ultraschnellen Prozesse

Viele technologisch wichtige Prozesse, etwa in der Energie- und Datenspeicherung, dauern nur so kurze Zeit, dass sie sich eine Billiarde Mal wiederholen müssten, bis eine Sekunde vergangen ist. Wenn Wissenschaftler solche Vorgänge untersuchen, sprechen sie von „Femtosekunden-Physik“ und von „ultraschnellen Prozessen“. Forscher des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) haben nun mit Kollegen aus Hamburg, Berlin und Kalifornien demonstriert, wie sich diese ultraschnellen Abläufe mittels präziser Messungen und einer innovativen Datenanalyse viel genauer als bisher untersuchen lassen.

Der technologische Fortschritt macht es möglich, wichtige Vorgänge in den Material- und Lebenswissenschaften zu "filmen", um sie besser zu verstehen. Die relevanten Zeitskalen sind hier oft Billiardstel Bruchteile einer Sekunde (Femtosekunden), weshalb das Aufnehmen solcher Hochgeschwindigkeitsfilme immer noch eine große Herausforderung darstellt. Zum Vergleich: Ein Lichtstrahl braucht für die rund 380.000 Kilometer von der Erde zum Mond etwa eine Sekunde. In einer Femtosekunde legt solch ein Lichtpaket nur eine Distanz zurück, die dem Durchmesser eines menschlichen Haares entspricht.

Um sehr schnelle Prozesse zu "fotografieren" beziehungsweise zu "filmen", verwenden Forscher Laser und zunehmend Lichtquellen auf Beschleunigerbasis wie Freie-Elektronen-Laser, die sehr kurze Lichtteilchen-Pulse erzeugen. Auch die neue Forschungsanlage "TELBE" am Elektronen-Beschleuniger ELBE des HZDR ist prinzipiell zu solchen Messungen imstande. Sie ist ein Prototyp für eine neue Generation von Lichtquellen, die starke Lichtpulse im Terahertz-Bereich mit besonders hoher Wiederholrate erzeugen.

Doch die Lichtintensität und Ankunftszeiten verfügbarer Strahlenquellen in Großforschungsanlagen wie dem ELBE-Zentrum für Hochleistungs-Strahlenquellen des HZDR oder dem leistungsstärksten Röntgenlaser der Welt, dem europäischen XFEL, schwanken zu stark, um viele der erhofften Untersuchungen zu realisieren. Anstatt wie bisher zu versuchen, die Stabilität des Elektronen-Beschleunigers ELBE am HZDR zu verbessern oder Messungen mit "schlechten" Pulseigenschaften auszusortieren, haben die beteiligten Wissenschaftler nun ein Verfahren entwickelt, um die Intensität, die Ankunftszeit und weitere Eigenschaften jedes einzelnen Pulses von diesen Lichtquellen mit hochempfindlichen Monitoren sehr präzise auszumessen. Diese Aufzeichnungen über die ursprünglichen Messimpulse ordnen sie dann den Experimentdaten zu.

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Redaktion: Dipl.-Ing. Fahima Fischer
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