Die Bausteine eines Kristalls müssen nicht unbewegt an ihrem Platz ausharren. Wenn sie dazu angeregt werden, tun sie etwas, sie schwingen etwa im Kollektiv wie die Teilchen in den oberen Wasserschichten eines Meeres oder verändern ihre elektrischen oder optischen Eigenschaften in einer Art, die sie für technische Anwendungen interessant macht. Interessant sind vor allem sehr schnelle Vorgänge. Am Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie in Berlin-Adlershof kann man mittlerweile noch verfolgen, was sich in einem Kristall in ultrakurzen Zeitabschnitten von 100 Femtosekunden abspielt. Dieses Intervall ist so kurz, dass 300.000 Kilometer pro Sekunde schnelles Licht in der Zeit gerade mal den Durchmesser eines Haares zurück legen kann.
In fotografischen Begriffen bedeutet das: Die Belichtungszeit für eine Kristallstrukturanalyse mit Röntgenlicht ist so kurz, dass sich auch sehr schnelle Prozesse wie Kristallgitterschwingungen rekonstruieren lassen. Solche Prozesse lösen die Physiker aus, indem sie – vor dem analysierenden Röntgenblitz – den Kristall gleichsam in Erregung versetzen, etwa durch einen Laserblitz im sichtbaren Licht. Thomas Elsässer, Direktor am Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeit-Spektroskopie und Professor für Experimentalphysik an der Humboldt-Universität, beschreibt die Experimente so:
"Wir starten sozusagen den Prozess, den wir angucken möchten, mit einem optischen Lichtimpuls, und wir schauen dann mit einem verzögerten Röntgenimpuls nach, in welchem Zustand sich das System zu einem bestimmten Zeitpunkt befindet. Wenn wir den zeitlichen Abstand zwischen der Anregung und diesem Röntgenimpuls variieren, können wir einen Film dieses Ablaufs herstellen, und das ist es, was uns interessiert. So können wir rückschließen aus dem Röntgensignal darauf, was als Funktion der Zeit im Material passiert."
Das ist besonders für die derzeit entstehende Nanotechnologie wichtig, die sich unter anderem dadurch auszeichnet, dass auf kleinstem Raum blitzschnelle Vorgänge ablaufen, etwa Elektronen gestoppt und gestartet, also Ströme geschaltet werden. Wer ultraschnelle Schalter für Computerchips oder Kommunikationselemente entwickeln will, ist mittlerweile auf Detailkenntnisse angewiesen, wie sie die Femtosekunden-Kurzzeitspektroskopie liefern kann. Wenn die Röntgenblitze eine entsprechende Qualität und Intensität haben, ist die Strukturuntersuchung nicht auf starre Kristalle beschränkt. Elsässer:
"Also wenn Sie zum Beispiel auch an Flüssigkeiten denken, können Sie im Prinzip die molekularen Bewegungen in einer Flüssigkeit in Form von Schnappschüssen abbilden und Sie können auch wieder Sequenzen von Aufnahmen machen, die Ihnen darüber Aufschluss geben – und damit wird die gesamte chemische Dynamik erschlossen."
Dadurch werden sich auch neue Möglichkeiten finden lassen, chemische Reaktionen mit großer Ausbeute in die gewünschte Richtung zu steuern. Wenn erst der gegenwärtig bei Desy/Hamburg im Bau befindliche Freie-Elektronen-Laser für den Röntgenbereich realisiert ist, werden Röntgenblitzintensitäten zur Verfügung stehen, die womöglich Träume realisierbar machen wie den, so Thomas Elsässer,
"mit einem einzigen Schuss eines Röntgenlasers eine komplette Strukturaufklärung eines großen Biomoleküls zu machen, davon träumen Leute, und das ist sicher eines der Experimente, das man dort relativ früh ausprobieren möchte."
In fotografischen Begriffen bedeutet das: Die Belichtungszeit für eine Kristallstrukturanalyse mit Röntgenlicht ist so kurz, dass sich auch sehr schnelle Prozesse wie Kristallgitterschwingungen rekonstruieren lassen. Solche Prozesse lösen die Physiker aus, indem sie – vor dem analysierenden Röntgenblitz – den Kristall gleichsam in Erregung versetzen, etwa durch einen Laserblitz im sichtbaren Licht. Thomas Elsässer, Direktor am Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeit-Spektroskopie und Professor für Experimentalphysik an der Humboldt-Universität, beschreibt die Experimente so:
"Wir starten sozusagen den Prozess, den wir angucken möchten, mit einem optischen Lichtimpuls, und wir schauen dann mit einem verzögerten Röntgenimpuls nach, in welchem Zustand sich das System zu einem bestimmten Zeitpunkt befindet. Wenn wir den zeitlichen Abstand zwischen der Anregung und diesem Röntgenimpuls variieren, können wir einen Film dieses Ablaufs herstellen, und das ist es, was uns interessiert. So können wir rückschließen aus dem Röntgensignal darauf, was als Funktion der Zeit im Material passiert."
Das ist besonders für die derzeit entstehende Nanotechnologie wichtig, die sich unter anderem dadurch auszeichnet, dass auf kleinstem Raum blitzschnelle Vorgänge ablaufen, etwa Elektronen gestoppt und gestartet, also Ströme geschaltet werden. Wer ultraschnelle Schalter für Computerchips oder Kommunikationselemente entwickeln will, ist mittlerweile auf Detailkenntnisse angewiesen, wie sie die Femtosekunden-Kurzzeitspektroskopie liefern kann. Wenn die Röntgenblitze eine entsprechende Qualität und Intensität haben, ist die Strukturuntersuchung nicht auf starre Kristalle beschränkt. Elsässer:
"Also wenn Sie zum Beispiel auch an Flüssigkeiten denken, können Sie im Prinzip die molekularen Bewegungen in einer Flüssigkeit in Form von Schnappschüssen abbilden und Sie können auch wieder Sequenzen von Aufnahmen machen, die Ihnen darüber Aufschluss geben – und damit wird die gesamte chemische Dynamik erschlossen."
Dadurch werden sich auch neue Möglichkeiten finden lassen, chemische Reaktionen mit großer Ausbeute in die gewünschte Richtung zu steuern. Wenn erst der gegenwärtig bei Desy/Hamburg im Bau befindliche Freie-Elektronen-Laser für den Röntgenbereich realisiert ist, werden Röntgenblitzintensitäten zur Verfügung stehen, die womöglich Träume realisierbar machen wie den, so Thomas Elsässer,
"mit einem einzigen Schuss eines Röntgenlasers eine komplette Strukturaufklärung eines großen Biomoleküls zu machen, davon träumen Leute, und das ist sicher eines der Experimente, das man dort relativ früh ausprobieren möchte."