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07.10.2016
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FLASH beobachtet explodierende Xenon-Nanopartikel

DESYs Röntgenlaser liefert neue Einblicke in die Wechselwirkung von Licht und Materie

Mit DESYs Röntgenlaser FLASH haben Forscher um Daniela Rupp von der Technischen Universität Berlin die ultraschnelle lichtgetriebene Explosion von Nanopartikeln aus Xenon beobachtet. Die Untersuchung dieser sogenannten Xenon-Cluster liefert neue Einblicke in die fundamentale Wechselwirkung von intensivem Licht mit Materie, wie die Wissenschaftler im Fachblatt „Physical Review Letters“ berichten.

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Explodierender Xenon-Cluster mit freigesetzten Elektronen (blau). Bild: Thomas Fennel / Universität Rostock
„Cluster sind von grundlegender Bedeutung für diese Untersuchung“, erläutert Rupp. „Sie weisen eine hohe Dichte auf und sind in der Gasphase gleichzeitig sehr gut von der Umgebung isoliert, wodurch eine ungestörte Analyse möglich wird.“ Die Forscher erzeugten die Cluster, indem sie kaltes Xenon-Gas unter Druck ins Vakuum bliesen. „Dabei kühlt das Gas weiter ab, so dass sich zunächst Tröpfchen bilden, die gefrieren und weiter zusammenklumpen, ähnlich wie ein Hagelkorn“, beschreibt Rupp.

Diese etwa 400 Nanometer (millionstel Millimeter) kleinen Xenon-Nanopartikel beschossen die Forscher mit den ultrakurzen, intensiven FLASH-Laserblitzen, die für einige billiardstel Sekunden eine Intensität von bis zu 500 Billionen Watt pro Quadratzentimeter erreichten. Zum Vergleich: Sonnenlicht hat auf dem Erdboden eine Intensität von etwa 0,1 Watt pro Quadratzentimeter. Der helle Strahlungsblitz entriss den Xenon-Atomen im Cluster zahlreiche Elektronen, so dass sich ein Plasma bildete – ein heißes Gas aus elektrisch geladenen Atomen, sogenannten Ionen, und darum herum flitzenden Elektronen.

Mit den hellen Röntgenblitzen von FLASH brachten die Forscher die Xenon-Cluster zur Explosion, konnten dabei mit demselben Röntgeblitz aber noch ein Bild des unzerstörten Clusters aufnehmen (oben). Mit einem Ionenspektrometer beobachteten die Wissenschaftler dann die Explosionsbruchstücke (unten). Bild: Daniela Rupp / TU Berlin
Die Physiker konnten in ihrer Versuchsanordnung die Entwicklung individueller Xenon-Cluster verfolgen und deren Größe sowie die genaue Energie bestimmen, mit der sie getroffen wurden. „Dies wurde möglich, da wir sowohl Momentaufnahmen der Cluster vor ihrer Zerstörung machen konnten, als auch die Ladungszustände der Bruchstücke nach der Explosion präzise vermessen", berichtet Ko-Autor Rolf Treusch von DESY, Forschungskoordinator bei FLASH.

Bei diesen Untersuchungen identifizierten die Wissenschaftler unter anderem eine bislang nicht beachtete Heizung in dem Plasma: „Jedes Mal, wenn sich ein Elektron wieder mit einem Xenon-Atom verbindet, gibt es Energie an das umgebende Plasma ab”, erläutert Rupp. „Dadurch bekommen am Ende solche Xenon-Ionen, die nicht mit Elektronen rekombinieren, prozentual mehr Energie – die Elektronen heizen diese Ionen quasi auf.”

„Die Ergebnisse lassen sich hervorragend mit der Theorie vereinbaren“, erklärt der Theoretiker Thomas Fennel von der Universität Rostock. „Ergänzt man in der Theorie die ‘Rekombinationsheizung’, beschreibt sie genau unsere Beobachtungen. In dieser Untersuchung ergänzen sich theoretische Physik und Experimentalphysik in ausgezeichneter Weise.”

Abgesehen von Wissenschaftlern bei DESY, der TU Berlin und der Universität Rostock waren an der Arbeit Forscher von der La Trobe University in Australien, dem US-Forschungszentrum SLAC in Kalifornien, dem Helmholtz-Zentrum Berlin, der Universität Münster und dem Argonne National Laboratory in den USA beteiligt.

 

Originalarbeit:
Recombination-enhanced surface expansion of clusters in intense soft X-ray laser pulses; Daniela Rupp, Leonie Flückiger, Marcus Adolph, Tais Gorkhover, Maria Krikunova, Jan Philippe Müller, Maria Müller, Tim Oelze, Yevheniy Ovcharenko, Benjamin Röben, Mario Sauppe, Sebastian Schorb, David Wolter, Rolf Mitzner, Michael Wöstmann, Sebastian Roling, Marion Harmand, Rolf Treusch, Mathias Arbeiter, Thomas Fennel, Christoph Bostedt, and Thomas Möller; „Physical Review Letters“, 2016; DOI: 10.1103/PhysRevLett.117.153401