Das weltweit beste "Mikroskop" hat etwas ungewöhnliche Ausmaße: Es besteht aus einem 250 Meter langen Beschleuniger und einer 30 mal 50 Meter großen Experimentierhalle. Knackpunkt ist sein ganz besondere Laserlicht, erklärt Jochen Schneider, Forschungsdirektor am Deutschen Elektronen-Synchrotron Desy in Hamburg. Schneider hat mit seinem Team die Lampe für das raffinierte Instrument gebaut:
"Es geht damit los, dass sie Elektronenpakete - sehr viele, zehn Milliarden Elektronen - in einem kleinen Volumenelement von 0,1 mal 0,1 Millimetern schaffen. Die werden dann beschleunigt, erreichen Geschwindigkeiten nahe Lichtgeschwindigkeit und gehen dann durch eine lange Magnetstruktur, wo man die Elektronen so auf eine schwingende Slalombahn schickt. Dabei erzeugen sie Licht und dieses Licht sorgt dafür, dass die Elektronen zum Schluss alle im Gleichklang schwingen - und wenn sie das tun, erzeugen sie dieses Laserlicht."
Die Forscher sprechen von einem Freie-Elektronen-Laser, weil sich die Elektronen frei bewegen und nicht, wie sonst bei Lasern, fest an Atome gebunden sind. Dieses kurzwellige Laserlicht ermöglicht den Forschern einen ganz neuen Blick in den Mikrokosmos. Schneider:
"Diese Strahlung kommt in extrem kurzen Lichtblitzen und das führt dazu, dass man von Molekülen Filme drehen kann, wie sie arbeiten, und das ist das, was bisher fehlt. Und diese Arbeitsprozesse laufen sehr schnell ab. Bei der Filmaufnahme müssen die einzelnen Bilder mit sehr kurzen Lichtblitzen aufgenommen werden und im Blitz muss soviel Intensität drin sein, dass man das Bild auch wirklich erkennt."
Der neue Laser ist hell und schnell: Bis zu 8000 Blitze in der Sekunde feuern die Physiker auf die zu untersuchende Probe - ein jeder nur etwa 50 Billiardstel Sekunden lang. Damit gewinnt die Erforschung des ganz Kleinen buchstäblich an Dynamik. Denn jetzt sehen die Wissenschaftler unmittelbar, wie chemische Reaktionen und magnetische Datenspeicherung ablaufen oder sie beobachten die dreidimensionale Struktur von Molekülen. An fünf Messplätzen können die Forscher ihre Proben buchstäblich durchschauen. Schneider:
"Das sind zum Beispiel, wenn es um biologische Anwendungen geht, feinste Wassertropfen, in denen dann so ein Molekül ist. Diese Wassertropfen werden präpariert, die fliegen dann irgendwann durch die Luft, werden von dem Laserstrahl getroffen und erzeugen ein Bild, das man dann hinterher mit Detektoren messen wird."
Knapp 120 Millionen Euro kostet die Anlage, an der bisher Wissenschaftler aus elf Ländern tätig sind. Die Entwicklung des Lasers im Ultraviolett-Licht, also bei sehr kurzen Wellenlängen, war dabei von überragender Bedeutung, erklärt Jochen Schneider:
"Die Wellenlänge bestimmt das räumliche Auflösungsvermögen, was man erreichen kann. Mit einem normalen Laser kann ich Dinge auflösen, sichtbar machen, die dem Auge auch sichtbar sind. Was wir gerne machen möchten ist, viel kleinere Dimensionen sichtbar zu machen. Und dazu braucht man viel kürzere Wellenlängen - und die bringt Ihnen der heutige Laser nicht. Jetzt sind es so etwas wie Nanometer - um das zu vergleichen, was ein Nanometer ist: Dies Verhältnis von einem Meter zu einem Nanometer ist so etwas wie der Durchmesser der Erde zu einem Pfennig. Und in diesen Pfenniggrößen wollen wir wirklich die Dinge untersuchen und dazu brauchen Sie so kurze Wellenlängen."
Mit dem Freie-Elektronen-Laser sammeln die Forscher Erfahrungen mit der neuen Technik und mit den Experimenten. Denn die DESY-Forscher sind noch lange nicht am Ziel: Der jetzt eingeweihte Laser ist nur der kleine Bruder des europäischen Röntgenlasers XFEL, der ab dem kommenden Jahr in Hamburg gebaut wird. Mit XFEL werden die Forscher dann noch viel schärfer die Welt des ganz Kleinen durchschauen.
"Es geht damit los, dass sie Elektronenpakete - sehr viele, zehn Milliarden Elektronen - in einem kleinen Volumenelement von 0,1 mal 0,1 Millimetern schaffen. Die werden dann beschleunigt, erreichen Geschwindigkeiten nahe Lichtgeschwindigkeit und gehen dann durch eine lange Magnetstruktur, wo man die Elektronen so auf eine schwingende Slalombahn schickt. Dabei erzeugen sie Licht und dieses Licht sorgt dafür, dass die Elektronen zum Schluss alle im Gleichklang schwingen - und wenn sie das tun, erzeugen sie dieses Laserlicht."
Die Forscher sprechen von einem Freie-Elektronen-Laser, weil sich die Elektronen frei bewegen und nicht, wie sonst bei Lasern, fest an Atome gebunden sind. Dieses kurzwellige Laserlicht ermöglicht den Forschern einen ganz neuen Blick in den Mikrokosmos. Schneider:
"Diese Strahlung kommt in extrem kurzen Lichtblitzen und das führt dazu, dass man von Molekülen Filme drehen kann, wie sie arbeiten, und das ist das, was bisher fehlt. Und diese Arbeitsprozesse laufen sehr schnell ab. Bei der Filmaufnahme müssen die einzelnen Bilder mit sehr kurzen Lichtblitzen aufgenommen werden und im Blitz muss soviel Intensität drin sein, dass man das Bild auch wirklich erkennt."
Der neue Laser ist hell und schnell: Bis zu 8000 Blitze in der Sekunde feuern die Physiker auf die zu untersuchende Probe - ein jeder nur etwa 50 Billiardstel Sekunden lang. Damit gewinnt die Erforschung des ganz Kleinen buchstäblich an Dynamik. Denn jetzt sehen die Wissenschaftler unmittelbar, wie chemische Reaktionen und magnetische Datenspeicherung ablaufen oder sie beobachten die dreidimensionale Struktur von Molekülen. An fünf Messplätzen können die Forscher ihre Proben buchstäblich durchschauen. Schneider:
"Das sind zum Beispiel, wenn es um biologische Anwendungen geht, feinste Wassertropfen, in denen dann so ein Molekül ist. Diese Wassertropfen werden präpariert, die fliegen dann irgendwann durch die Luft, werden von dem Laserstrahl getroffen und erzeugen ein Bild, das man dann hinterher mit Detektoren messen wird."
Knapp 120 Millionen Euro kostet die Anlage, an der bisher Wissenschaftler aus elf Ländern tätig sind. Die Entwicklung des Lasers im Ultraviolett-Licht, also bei sehr kurzen Wellenlängen, war dabei von überragender Bedeutung, erklärt Jochen Schneider:
"Die Wellenlänge bestimmt das räumliche Auflösungsvermögen, was man erreichen kann. Mit einem normalen Laser kann ich Dinge auflösen, sichtbar machen, die dem Auge auch sichtbar sind. Was wir gerne machen möchten ist, viel kleinere Dimensionen sichtbar zu machen. Und dazu braucht man viel kürzere Wellenlängen - und die bringt Ihnen der heutige Laser nicht. Jetzt sind es so etwas wie Nanometer - um das zu vergleichen, was ein Nanometer ist: Dies Verhältnis von einem Meter zu einem Nanometer ist so etwas wie der Durchmesser der Erde zu einem Pfennig. Und in diesen Pfenniggrößen wollen wir wirklich die Dinge untersuchen und dazu brauchen Sie so kurze Wellenlängen."
Mit dem Freie-Elektronen-Laser sammeln die Forscher Erfahrungen mit der neuen Technik und mit den Experimenten. Denn die DESY-Forscher sind noch lange nicht am Ziel: Der jetzt eingeweihte Laser ist nur der kleine Bruder des europäischen Röntgenlasers XFEL, der ab dem kommenden Jahr in Hamburg gebaut wird. Mit XFEL werden die Forscher dann noch viel schärfer die Welt des ganz Kleinen durchschauen.