LCLS-II: Stanford Universität nimmt stärksten Röntgenlaser in Betrieb
An der Stanford Universität ist der derzeit stärkste Röntgenlaser in Betrieb genommen worden. Mit der Anlagen soll es möglich ein, Atome, Moleküle sowie chemische Reaktionen in bisher unerreichter Auflösung zu beobachten.
Die Linac Coherent Light Source II (LCLS-II)(öffnet im neuen Fenster) ist ein X-Ray Free-Electron Laser (etwa: Röntgen-Freie-Elektronen-Laser, kurz XFEL), der ultrakurze und ultrahelle Pulse von harter Röntgenstrahlung emittiert. Ein XFEL ist eine Art gigantischer Kamera, die es mit ihren ultrakurzen und hochenergetischen Röntgenblitzen ermöglicht, Einzelbilder und Filme von Molekülen oder chemischen Reaktionen aufzunehmen.
LCSL-II ist die Erweiterung des Vorgängers LCLS, der 2009 am SLAC National Accelerator Laboratory in Betrieb genommen wurde. Nach längerer Bauzeit, während der unter anderem eine Tieftemperaturanlage installiert und eine drei Kilometer lange Metallröhre mit Niob ausgekleidet wurde, war die Anlage im September 2022 fertiggestellt. Die vergangenen zwölf Monate hat das SLAC-Team darauf verwendet, die Anlagen einzurichten und ihre Leistung schrittweise zu erhöhen.
LCLS-II erzeugt eine Million Röntgenblitze pro Sekunde
Das sogenannte First Light sei der Höhepunkt von mehr als einem Jahrzehnt Arbeit, sagte LCLS-II-Projektleiter Greg Hays(öffnet im neuen Fenster) . "Es zeigt, dass alle verschiedenen Elemente von LCLS-II harmonisch zusammenarbeiten, um Röntgenlaserlicht in einem völlig neuen Betriebsmodus zu erzeugen." Bis zu einer Million Röntgenpulse kann LCLS-II laut SLAC National Accelerator Laboratory in der Sekunde erzeugen. Zum Vergleich: Der European XFEL in Hamburg emittiert nur 27.000 Pulse pro Sekunde.
Für Röntgenpulse wird ein Elektronenpaket erzeugt, indem eine Kupferplatte mit einem Ultraviolettlaser bestrahlt wird. Die Elektronen werden dann beschleunigt und passieren anschließend sogenannte Undulatoren, die die Röntgenpulse erzeugen.
Ein Undulator besteht aus Permanentmagneten, die abwechselnd polarisiert hintereinander angeordnet sind. Die Magnete zwingen die Elektronenpakete auf eine Slalombahn. Das Undulieren, das Hin- und Herpendeln der Elektronen, führt dazu, dass sie Röntgenblitze mit Lasereigenschaften emittieren.
Mit diesen Röntgenblitzen werden dann Proben bestrahlt, um kleinste oder schnellste Phänomene beobachten zu können. Mit dem Vorgänger LCLS etwa wurde in Echtzeit beobachtet, wie Pflanzen und Algen Sonnenlicht absorbieren und Sauerstoff produzieren(öffnet im neuen Fenster) , oder was passiert, wenn Licht auf ein Molekül mit der Bezeichnung Retinal trifft(öffnet im neuen Fenster) . Das Molekül, eine Form von Vitamin A, spielt eine wichtige Rolle bei vielen lichtgesteuerten Prozessen, inklusive des menschlichen Sehens. Das Team beobachtete, wie sich das Retinal durch das Auftreffen des Lichts verformte - ein Prozess, der zwischen 200 und 500 Femtosekunden dauert.
Von dem LCLS-II, der viel kürzere und viel hellere Röntgenblitze erzeugt, erhofft sich die wissenschaftliche Community weitere bahnbrechende Erkenntnisse.