Synchrotronlicht in bisher unerreichter Qualität: „Wichtiger Schritt auf dem Weg zu einem stabilen Freie Elektronen Laser“
Dr. Johannes Bahrdt
Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) haben in Kooperation mit der schwedischen Universität Lund Synchrotronlicht von bisher unerreichter Qualität erzeugt: Weltweit erstmalig gelang es ihnen, kohärente Lichtpulse im extremen vakuum-ultravioletten Spektralbereich zu generieren (66nm), die nur 200 Femtosekunden lang sind und die eine variable Polarisation aufweisen. „Wir haben damit einen wichtigen Schritt auf dem Weg zu einem stabilen Freie Elektronen Laser vollzogen“, sagt Dr. Johannes Bahrdt, Leiter der HZB-Abteilung „Undulatoren“.
Das von Johannes Bahrdt und seinen Kollegen realisierte Prinzip: Die wünschenswerten Eigenschaften eines kommerziellen Lasers langer Wellenlänge – des sogenannten Seed-Lasers – werden auf einen Lichtpuls im vakuum-ultravioletten Spektralbereich übertragen, wo es Lichtquellen mit gleichen Eigenschaften nicht gibt. Dafür wird der Elektronenstrahl des Injektor-Beschleunigers an der Synchrotronstrahlungsquelle MAX-lab in Lund, Schweden, in einer speziellen Magnetstruktur, dem Modulator, mit dem Seed-Laser überlagert. Seed-Laser und Elektronenstrahl treten im Modulator in Wechselwirkung, wodurch die Elektronenpakete verändert werden. Sie erfahren eine räumlich periodische Energiemodulation auf der Skala der Wellenlänge des Seed-Lasers. Anschließend durchfliegen die Pakete eine Schikane, eine dispersive Strecke, in der die Energiemodulation in eine Dichte-Modulation umgewandelt wird.
Die Elektronenpakete weisen danach in ihrem Inneren eine Mikrostruktur auf und werden in die nächste Magnetstruktur geschickt. Dieser so genannte Radiator nutzt die mikrostrukturierten Elektronenpakete und emittiert kohärentes Licht auf der Wellenlänge oder auf einer höheren Harmonischen der Mikrostrukturierung. Eine neue Klasse von Freien Elektronen Lasern (FELs), die sogenannten HGHG-FELs (z.B. der im Bau befindliche FEL FERMI in Trieste, Italien), beruhen auf diesem Prinzip und gelten wegen ihrer guten Strahleigenschaften als FELs der nächsten Generation. „Unser Radiator bietet durch seine spezielle Magnetstruktur die Möglichkeit, den Polarisationszustand des Lichtes frei zu definieren. Damit lässt sich sowohl linear polarisiertes Licht unterschiedlicher Orientierung als auch zirkular polarisiertes Licht mit frei wählbarem Drehsinn einstellen“, erklärt Johannes Bahrdt: „Uns ist es erstmals gelungen, mit dieser Methode an einem Linearbeschleuniger (Linac) zirkulare Strahlung zu erzeugen.“ Dies ist ein wichtiger Schritt bei der Weiterentwicklung von Linac-basierten Freie-Elektronen-Lasern, die bisher nur linear polarisiertes Licht produzieren.
Das Experiment wurde im Rahmen des EuroFEL Design Project aufgebaut und wird in einer Kollaboration von HZB und MAX-lab betrieben. Ziel ist es, FELs hinsichtlich Zeitverhalten, Kohärenz, Polarisation und spektraler Reinheit zu optimieren sowie die dafür notwendige Einzel-Puls-Diagnostik zu entwickeln. Die Undulatorabteilung des HZB hat dafür das komplette Undulatorsystem entwickelt und installiert sowie Glasfasersysteme zur Elektronenstrahldiagnostik bereitgestellt. Das Institut für Methoden und Instrumentierung der Forschung mit Synchrotronstrahlung hat eine Terahertz-Detektion zur Optimierung der Bunchkompression beigesteuert. Wissenschaftler aus beiden HZB-Einheiten waren in den letzten Jahren während der Inbetriebnahmezeiten der Anlage in Schweden.
- Proteinkristallographie an BESSY II: Schneller, besser und automatischerViele Erkrankungen hängen mit Fehlfunktionen von Proteinen im Organismus zusammen. Die dreidimensionale Architektur dieser Moleküle ist oft äußerst komplex, liefert aber wertvolle Hinweise für das Verständnis von biologischen Prozessen und die Entwicklung von Medikamenten. Mit Röntgendiffraktion an den MX-Beamlines von BESSY II lässt sich die 3D Struktur von Proteinen entschlüsseln. Mehr als 5000 Strukturen sind bis heute an den drei MX-Beamlines von BESSY II gelöst worden. Ein Rückblick und Ausblick im Gespräch mit Manfred Weiss, dem Leiter der Makromolekularen Kristallographie.
- Was die Zinkkonzentration in Zähnen verrätZähne sind Verbundstrukturen aus Mineralien und Proteinen, dabei besteht der Großteil des Zahns aus Dentin, einem knochenartigen, hochporösen Material. Diese Struktur macht Zähne sowohl stark als auch empfindlich. Neben Kalzium und Phosphat enthalten Zähne auch Spurenelemente wie Zink. Mit komplementären mikroskopischen Verfahren hat ein Team der Charité Berlin, der TU Berlin und des HZB die Verteilung von natürlichem Zink im Zahn ermittelt. Das Ergebnis: mit zunehmender Porosität des Dentins in Richtung Pulpa steigt die Zinkkonzentration um das 5- bis 10-fache. Diese Erkenntnis hilft, den Einfluss von zinkhaltigen Füllungen auf die Zahngesundheit besser zu verstehen und könnte Verbesserungen in der Zahnmedizin anstoßen.
- Faszinierendes Fundstück wird zu wertvoller WissensquelleDas Bayerische Landesamt für Denkmalpflege (BLfD) hat ein besonderes Fundstück aus der mittleren Bronzezeit nach Berlin geschickt, um es mit modernsten Methoden zerstörungsfrei zu untersuchen: Es handelt sich um ein mehr als 3400 Jahre altes Bronzeschwert, das 2023 im schwäbischen Nördlingen bei archäologischen Grabungen zutage trat. Die Expertinnen und Experten konnten herausfinden, wie Griff und Klinge miteinander verbunden sind und wie die seltenen und gut erhaltenen Verzierungen am Knauf angefertigt wurden – und sich so den Handwerkstechniken im Süddeutschland der Bronzezeit annähern. Zum Einsatz kamen eine 3D-Computertomographie und Röntgendiffraktion zur Eigenspannungsanalyse am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) sowie die Röntgenfluoreszenz-Spektroskopie bei einem von der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) betreuten Strahlrohr an BESSY II.