Imaging of Matter
Globale Vision für helikale Röntgenlaserpulse zur Beobachtung der schnellsten Bewegungen des Lebens
28. Januar 2025

Foto: Physical Review Research, M. Ilchen
In den letzten Jahren haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weltweit intensiv zusammengearbeitet, um innovative Ansätze mit zirkularpolarisierten Freie-Elektronen-Laser (FEL)-Pulsen zu entwickeln. Diese Fortschritte zielen darauf ab, einige der schnellsten Bewegungen in der Natur zu erfassen und sie auf der Ebene bestimmter Elemente mit einem besonderen „Twist“ zu untersuchen. In Physical Review Research skizzieren führende Expertinnen und Experten von Institutionen wie der Universität Hamburg, DESY, dem European XFEL und SLAC die unmittelbaren und langfristigen Perspektiven dieser neuen technologischen Ära. Die Auswirkungen auf Physik, Chemie und Strukturbiologie sind tiefgreifend und könnten auch unser tägliches Leben beeinflussen.
FELs bieten die einzigartige Möglichkeit, Materie mit atomarer Auflösung auf den natürlichen Zeitskalen atomarer und elektronischer Bewegungen - von Femto- bis Attosekunden - zu untersuchen. Die zunehmend in den Fokus der FEL-Forschung rückende Polarisationskontrolle eröffnet neue Wege zur Untersuchung der prototypischen Bausteine des Lebens mit dem Ziel, ihre Funktionen auf extremen Zeit- und Raumskalen zu entschlüsseln und zu beeinflussen. Chiralität oder „Händigkeit“ ist eine fundamentale Eigenschaft der Bausteine des Lebens, die unter anderem Geruch, Geschmack und die Wirksamkeit von Medikamenten entscheidend beeinflusst. ‚Rotierende‘ Röntgenstrahlen aus FELs können nun als innovativer spiralförmiger Schlüssel zu diesem gut geschützten Schloss der Natur dienen.
„Das Besondere an dieser Publikation ist, dass sie eine große, interdisziplinäre Zusammenarbeit von Forschern aus der ganzen Welt darstellt, die auf diesem aufstrebenden Gebiet der Wissenschaft Pionierarbeit geleistet haben“, sagt Peter Walter vom SLAC und Gastwissenschaftler an der Universität Hamburg, einer der Hauptautoren der Publikation.
„Wir stehen an der Schwelle zu diesem neuen Wissenschaftsgebiet"
„Die technologische Errungenschaft von Polarisationskontrolle der hellsten Röntgen- und Extrem-Ultraviolettpulse, die derzeit verfügbar sind, mit Belichtungszeiten, die es erlauben, die Bewegung der Elektronen zu verfolgen, ist eine faszinierende Perspektive, von der wir schon lange geträumt haben. Wir stehen an der Schwelle zu diesem neuen Wissenschaftsgebiet und hoffen, dass wir viele Kolleginnen und Kollegen weltweit dazu anregen können, sich uns anzuschließen und unseren Enthusiasmus zu teilen“, sagt Erstautor Markus Ilchen, Professor an der Universität Hamburg und Forscher im Exzellenzcluster „CUI: Advanced Imaging of Matter“. CUI-Forschende aus unterschiedlichen Gruppen haben zu der Publikation beigetragen, denn das zentrale Ziel des Clusters ist es, emergentes Verhalten der Materie zu verstehen und – noch einen Schritt weiter – dynamisch neue Funktionalitäten zu schaffen.
Die Publikation gibt einen umfassenden Überblick über die thematisch beitragenden FEL-Systeme weltweit, darunter Anlagen wie FERMI in Italien, LCLS (II) in den USA, European XFEL und FLASH (1 und 2) in Deutschland, SwissFEL in der Schweiz sowie SHINE und SXFEL in China. Diese Pioniereinrichtungen haben die Bedeutung ultraheller, ultrakurzer und vollständig polarisationskontrollierbarer Lichtpulse erkannt und damit den Grundstein für ein neues Kapitel wissenschaftlicher Entdeckungen gelegt. Renommierte Autorinnen und Autoren aus der experimentellen und theoretischen Physik, die bereits Beiträge zu diesem jungen Wissenschaftsgebiet geleistet haben, weisen den Weg zu neuen Entdeckungen in der Gasphasenforschung mit zirkularpolarisiertem Röntgenlaserlicht. Durch die Nutzung der komplexen Wechselwirkungen von Röntgenstrahlung mit Materie auf Zeitskalen bis hinein in den Attosekundenbereich - bei extremen Intensitäten und mit vollständiger Kontrolle der Polarisation - erhoffen sie sich neue Durchbrüche in der Untersuchung der grundlegenden Mechanismen des Lebens sowie Kooperationen und Anwendungen, die sowohl die Industrie als auch die Gesellschaft verändern könnten.
Originalpublikation
Markus Ilchen, Peter Walter et al.
Opportunities for Gas-Phase Science at Short-Wavelength Free-Electron Lasers with Undulator-Based Polarization Control
Physical Review Research 7, 1 (2025)