Überblicksbeitrag: Methoden der Röntgenstreuung mit Synchrotronstrahlung
Resonantes Röntgenlicht (lila) erzeugt einen rumpfangeregten Zustand am Sauerstoffatom (rot) des H2O-Moleküls. Dies verursacht ultraschnelle Protonendynamik. Die Potentialfläche des elektronischen Grundzustands (unten) und die Bindungsdynamik werden durch spektrale Merkmale der resonanten inelastischen Röntgenstreuung erfasst (rechts).
© Martin Künsting /HZB
Synchrotronlichtquellen liefern brillantes Licht mit dem Fokus auf Röntgenstrahlung und haben unsere Fähigkeiten der Charakterisierung von Materialien enorm erweitert. In den Reviews of Modern Physics gibt ein internationales Team nun einen Überblick über elastische und inelastische Röntgenstreuprozesse, erläutert den theoretischen Unterbau und beleuchtet, welche Einblicke diese Methoden in physikalische, chemische, bio- und energie-relevante Themen eröffnen.
„Mit Röntgenstreuung lassen sich breit gefächerte Fragestellungen untersuchen und lösen: Angefangen mit den Eigenschaften und Anregungen funktionaler Festkörper, über homogene und heterogene chemische Prozesse und Reaktionen, bis hin zum Pfad eines Protons bei der Spaltung von Wasser“, erläutert Prof. Dr. Alexander Föhlisch, der am HZB das Institut Methoden und Instrumentierung der Forschung mit Synchrotronstrahlung leitet.
Der Beitrag gibt einen Überblick über experimentelle und theoretische Ergebnisse auf dem Gebiet der resonanten Streuung von durchstimmbarer weicher und harter Röntgenstrahlung. Dabei liegt der Schwerpunkt auf der resonanten inelastischen Röntgenstreuung (RIXS) und der resonanten Auger-Streuung (RAS). In der Übersicht skizzieren die Autoren die wichtigsten Errungenschaften aus den letzten zwei Jahrzehnten an Synchrotronlichtquellen bis hin zu neuesten Fortschritten bei zeitaufgelösten Studien mit Freie-Elektronen-Röntgenlasern.
- BESSY II: Phosphorketten – ein 1D-Material mit 1D elektronischen EigenschaftenErstmals ist es einem Team an BESSY II gelungen, experimentell eindimensionale elektronische Eigenschaften in einem Material nachzuweisen. Die Proben bestanden aus kurzen Ketten aus Phosphoratomen, die sich auf einem Silbersubstrat selbst organisiert in bestimmten Winkeln bilden. Durch eine raffinierte Auswertung gelang es, die Beiträge von unterschiedlich ausgerichteten Ketten voneinander zu trennen und zu zeigen, dass die elektronischen Eigenschaften tatsächlich einen eindimensionalen Charakter besitzen. Berechnungen zeigten darüber hinaus, dass ein spannender Phasenübergang zu erwarten ist. Während das Material aus einzelnen Ketten halbleitend ist, wäre eine sehr dichte Kettenstruktur metallisch.
- Ein innerer Kompass für Meereslebewesen im PaläozänVor Jahrmillionen produzierten einige Meeresorganismen mysteriöse Magnetpartikel von ungewöhnlicher Größe, die heute als Fossilien in Sedimenten zu finden sind. Nun ist es einem internationalen Team gelungen, die magnetischen Domänen auf einem dieser „Riesenmagnetfossilien” mit einer raffinierten Methode an der Diamond-Röntgenquelle zu kartieren. Ihre Analyse zeigt, dass diese Partikel es den Organismen ermöglicht haben könnten, winzige Schwankungen sowohl in der Richtung als auch in der Intensität des Erdmagnetfelds wahrzunehmen. Dadurch konnten sie sich verorten und über den Ozean navigieren. Die neue Methode eignet sich auch, um zu testen, ob bestimmte Eisenoxidpartikel in Marsproben tatsächlich biogenen Ursprungs sind.
- Was vibrierende Moleküle über die Zellbiologie verratenMit Infrarot-Vibrationsspektroskopie an BESSY II lassen sich hochaufgelöste Karten von Molekülen in lebenden Zellen und Zellorganellen in ihrer natürlichen wässrigen Umgebung erstellen, zeigt eine neue Studie von einem Team aus HZB und Humboldt-Universität zu Berlin. Die Nano-IR-Spektroskopie mit SNOM an der IRIS-Beamline eignet sich, um winzige biologische Proben zu untersuchen und Infrarotbilder der Molekülschwingungen mit Nanometer-Auflösung zu erzeugen. Es ist sogar möglich, 3D-Informationen, also Infrarot-Tomogramme, aufzuzeichnen. Um das Verfahren zu testen, hat das Team Fibroblasten auf einer hochtransparenten SiC-Membran gezüchtet und in vivo untersucht. Die Methode ermöglicht neue Einblicke in die Zellbiologie.