Experimente mit SASE

Transkript

1 Experimente mit SASE Rolf Treusch DESY FLASH Schichtgänger-Ausbildung 2007

2 Röntgenstrahlungsquellen in der Forschung Röntgenröhren Synchrotronstrahlungsquellen Röntgen- FELs

3 Von Röntgens Röhre zum Röntgenlaser klassisches Röntgen Kristallstrukturbestimmung mit atomarer Auflösung + Informationen über Dynamik auf Femtosekunden- Zeitskala

4 Röntgenröhre Synchrotronstrahlung

5 Anwendungen der Synchrotronstrahlung Absorptions-Spektroskopie: lokale atomare Umgebung, Valenzzustände, Katalyse Fluoreszenzanalyse: Spurenelement-Analyse (z.b. Si-Wafer-Verunreinigungen) Beugung: Strukturbestimmung, Stress und Spannungen in Materialien Kleinwinkelstreuung: weiche und flüssige Materialien (z.b. Polymere) Oberflächen und Grenzflächen: Rauhigkeit, Schichtdicke, Dichte dünner Schichten Struktur von Biomolekülen: DNA, Medikamentenentwicklung, zeitaufgelöste Dynamik biologischer Prozesse

6 Von der Synchrotronstrahlung zum SASE FEL Synchrotron-Strahlungsquelle der 3. Generation (spontane Undulator-Strahlung, z.b. ESRF, PETRA 3) x mehr Spitzen-Leuchtstärke + kurze Pulse ( 100fs vs. 100ps) + volle transversale Kohärenz + Partielle longitudinale (zeitliche) Kohärenz (volle zeitliche Kohärenz über Seeding) = Freie-Elektronen-Laser (Strahlungsquelle der 4. Generation)

7 Mehr Licht : wofür? Hohe Intensität: extrem verdünnte Proben, z.b. Spektroskopie an massenselektierten Clustern in der Gasphase oder Beugung and einzelnen Molekülen Leistungsdichte: auf 1μm 2 fokussiert >10 16 W/cm 2 nichtlineare Effekte Kurze Pulse: Anregungsdauer auf Zeitskala von Molekülschwingungen Studium zeitabhängiger Prozesse, pump and probe-experimente oder z.b. Röntgenmikroskopie an lebenden Zellen: höchste Auflösung durch schockgefrieren auf < C FEL schnell genug kein Einfrieren mehr nötig, Zelle stirbt erst nach ca. 50 ps durch Erwärmung

8 Beispiele für Experimente mit dem FEL Festkörperphysik: Wie schmilzt eine Oberfläche? Plasmaphysik: Wie heiß ist heiß? Femtochemie: Kann man eine chemische Reaktion filmen? Biologie: Können wir die Struktur einzelner Proteine bestimmen? Sind schnelle strukturelle Änderungen messbar?

9 Festkörperphysik: Wie schmilzt eine Oberfläche? Rischel et al., Nature 390, S. 490 ff.

10 Plasmaphysik: Wie heiß ist heiß? Simulation von Prozessen Unter Extrembedingungen (hohe Temperatur, hoher Druck) European XFEL European XFEL Temperatur (Grad Celsius)

11 Femtochemie: Kann man eine chemische Reaktion filmen? Anfangszustand Anregung Moment- Aufnahme Endzustand

12 Momentaufnahmen zu verschiedenen Zeitpunkten nach Anregung Film der Reaktion

13 Biologie: Können wir die Struktur einzelner Protein-Moleküle bestimmen? berechnetes Streubild eines einzelnen Lysozym Moleküls gemessenes Streubild eines mit Synchrotronstrahlung bestrahlten Lysozym Einkristalls J.Hajdu et al.

14 Coulomb-Explosion Bsp. Lysozym: weiß: Wasserstoff, grau: Kohlenstoff, blau: Stickstoff, rot: Sauerstoff, gelb: Schwefel R. Neutze et al. Nature, August 2000 Bedingung: Puls kurz genug und nicht zu intensiv, damit Messung im Kasten bevor Molekül zerstört

15 Sind schnelle strukturelle Änderungen messbar? Laue-Diagramm eines Myoglobin-Kristalls mit Kohlenmonoxid-Liganden (MbCO), aufgenommen mit einem einzigen Synchrotronstrahlungs-Lichtpuls von 150 Pikosekunden Länge. Bild zeigt ca Röntgenlicht- Reflektionen (die hellen Punkte) Kristallstruktur mit einer Auflösung von 0,18 nm (ca. Größe des CO-Moleküls) ESRF Highlights 1996/1997 mit XFEL noch 1000x kürzere Belichtungszeit

16 Wiekurzsind100 Femtosekunden? Licht benötigt 1,3 sec von der Erde zum Mond Lichtstrahl

17 100 fs (Femtosekunden) entsprechen einer Distanz von 30 μm bei Lichtgeschwindigkeit ( km/s), d.h. der Breite eines Haares!!

18 Meter vs. Nanometer km 13 mm 1 m 1 nm

19 Erste Experimente mit extrem intensiver FEL Strahlung im XUV (an TTF1) An Gasen (Atome/Cluster): Th. Möller et al., HASYLAB/DESY (nun TU Berlin) Multi-Photon-Anregung, Coulomb-Explosion An Festkörpern: J. Krzywinski et al., Polnische Akademie der Wissenschaften, Warschau Zerstörungsschwellen von optischen Elementen: Was hält ein Spiegel am FEL aus? Welche Beschichtung ist am besten?

20 FEL Cluster-Experiment T.Möller et al.

21 Flugzeit-Massenspektren von Xe-Atomen und Clustern N~30000 hochgeladene Ionen aus Clustern einfach geladene Atome 8 intensity N~80 4+ Xe 3+ 2x10 13 W/cm 2 N~2-20 Xe ++ atom Xe time of flight [ns] H. Wabnitz et al., Nature 420, (2002)

22 Feuerwerk im Edelgascluster Physikalische Interpretation: Coulomb-Explosion

23 Jeder Schuss ein Treffer λ=80nm J.Krzywinski et al. Oberfläche von PMMA ( Plexiglas ) nach Bestrahlung mit einer Sequenz von FEL Pulsen

24 Phase 2 : FLASH als Nutzeranlage Resonante Ionisation hochgeladener Ionen (J.Crespo et al.) Gasphasen Pump-probe Experimente (M. Meyer et al.) Einzelschuss-Beugungsbilder (H.Chapman, J.Hajdu et al.)

25 Damals: Diagnostik & Experimente bei TTF1 ( ) Monochromator + ICCD Kamera Gas Monitor Detector (GMD) RAFEL MCP 2. Detektor- Einheit Spiegel ABLO Experiment Cluster Experiment 1. Detektor- Einheit + MCP wie eine Studentenbude: knapp 10 m 2 für das Nötigste

26 Heute: FLASH Experimentierhalle PG2 BL3 BL2 BL1 Sichtbarer Laser mehr als 600 m 2 und genauso voll!

27 Resonante Ionisation hochgeladener Ionen (Crespo et al.) superconducting magnet (6 Tesla) WITH ion trap assembly insulator einzel lense e-gun (Pierce type) I=400 ma achieved E<12 kev λ vuv insulator (up to 180 kv) quadrupole deflector pumping e-collector pumping

28 Röntgenblick ins Sternenfeuer J.Crespo et al. S.W.Epp et al., Phys. Rev. Lett. 98, (2007)

29 Gasphasen Experiment Anrege-Abtast Pump-probe Experimente (M.Meyer et al.) Theorie - LIXAM / LURE (Orsay, France) D. Cubaynes, P. O Keeffe, M. Meyer - DESY (Hamburg, Germany) S. Düsterer, P. Radcliffe, H. Redlin, E. Plönjes, J. Feldhaus - Dublin City University (Dublin, Ireland) H. Luna, P. Yeates, E. Kennedy, J. Costello - LCP-MR (Paris, France) R. Taïeb, A. Maquet - FORTH (Heraklion, Greece) P. Lambropoulos - University of Moscow A. Grum-Grzhimailo, E.Gryzlova, A. Magunov, S. Strakhova - Queens University Belfast (U Kingdom) Ph. Orr, D. Riley, J. Pedrosa, C. Lewis - Max-Born-Institut (Berlin, Germany) I. Will

30 Überlagerung eines sichtbaren/ir und eines VUV Laserpulses in Edelgasstrahl Elektronen Spektrometer ħω IR =1.55eV VUV sichtbarer fs Laser Puls Seitenbänder (Intensität Proportional zu IR-Intensität) Ar(IP) ev M.Meyer et al. Gasstrahl M. Meyer, P.O Keeffe LURE

31 Zeitlicher Überlapp für 600 fs - Laser + FEL Korrelationsbreite ~130 fs (FWHM) Jitter + Drift nur ~250 fs (rms) während Dauer der Messung ~ 1h! FEL: ~20 fs, 13.8 nm Opt. laser: 120 fs, 800 nm M.Meyer at al., Phys. Rev. A 74, (2006), M.Meyer et al. P.Radcliffe et al., Appl. Phys. Lett. 90, (2007)

32 Photodissoziation eines H 2 -Moleküls Direkte Ionisation des H 2 mit FEL Abtastung über H* mit opt. Laser Scan from -1.5 ps to few 10 ns Lebensdauer des H* ~ 10 ns M.Meyer et al.

33 Erste Demonstration kohärenter Röntgenbeugung mit einem FEL (H.Chapman, J.Hajdu)

34 Laserblitze im Nanokosmos 1 micron SEM der Ionenstrahlgeätzten Struktur in Siliziumnitrid-Membran 2. Schuss mit voller Leistung Rekonstruiertes Bild, beugungsbegrenzte Auflösung erreicht! Wellenlänge = 32 nm 1. Schuss mit voller Leistung 1 micron H.N.Chapman et al., Nature Physics 2, (2006)

35 5 Folien zu den Beugungsexperimenten an Pikoplankton, etc. musste ich leider hier weglassen, um ihre demnächst erfolgende Veröffentlichung nicht zu gefährden. Auf Wunsch kann man von mir einen Papierausdruck davon bekommen.

36 FLASH: unser Lichtblick in die pulsierende Nanowelt