Am Puls. Newsletter des Munich-Centre for Advanced Photonics. Centre for Advanced Laser Applications: Frauenpower auf der Baustelle

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1 Ausgabe Dezember 2015 Am Puls Newsletter des Munich-Centre for Advanced Photonics Centre for Advanced Laser Applications: Frauenpower auf der Baustelle Ultrakurzzeitphysik: Elektronenkatapult aus Nanokugeln Tumoranalyse der Zukunft: Mini-Röntgenquelle mit Laserlicht

2 Am Puls des Munich-Centre for Advanced Photonics Liebe Leser, Bilder regieren die Welt. Sie wecken Emotionen und Wünsche, faszinieren, begeistern, beeindrucken, können aber auch schockieren. Lange bevor die Sprache entstand nahmen Augen von Lebewesen ihre Umgebung wahr, das Gehirn speicherte die Informationen verlässlich ab. Nichts nimmt unser Gehirn besser auf als visuelle Reize. Bilder auf Medien zu speichern ist eine relativ junge Technik. Erstmals gelang das im Jahr 1826 dem französischen Advokaten Joseph Nicéphore Niépce mit seiner Camera obscura. Acht Stunden belichtete er sein Bild, das den Blick aus seinem Arbeitszimmer zeigt. Die Fotografie hat seitdem eine rasante Karriere hingelegt. In den letzten Jahren dominierten die digitalen Spiegelreflexkameras den Markt. Doch ob sich diese Dominanz weiter hält ist mehr als fraglich. Das zeigt sich nicht zuletzt am Titelbild dieses Newsletters, das von Wolfgang Schweinberger vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik aufgenommen wurde. Er hat es mit einem Smartphone im neuen Attosekunden- Labor in Saudi Arabien fotografiert. Wir freuen uns besonders, dass wir seit dieser Ausgabe unseres MAP-Newsletters unsere Bilder und Informationen in gedruckter Form präsentieren dürfen. Wir hoffen, auf diese Weise noch mehr Leser für die Laserwissenschaften und ihre faszinierenden Anwendungsmöglichkeiten begeistern zu können. Ein frohes Fest und einen guten Rutsch ins neue Jahr wünscht Ihnen Ihr MAP-Projektteam 1

3 Am Puls Blick in die Forschung Elektronenkatapult aus Nano-Kugeln Ein Team von Physikern vom Labor für Attosekundenphysik der Ludwig-Maximilians- Universität und dem Max-Planck-Institut für Quantenoptik hat die Wechselwirkung von Licht und winzigen Glasteilchen erforscht. 2 Die Beziehung zwischen starken Laserpulsen und Glas- Nanoteilchen ist eine ganz spezielle. Sie könnte medizinische Methoden verändern, wie Wissenschaftler aus Rostock, München und Berlin herausfanden. Dieses Zusammenspiel aus Licht und Materie untersuchte ein Team von Physikern und Chemikern aus dem Labor für Attosekundenphysik (LAP) am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) und der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU), dem Institut für Physik der Universität Rostock und der Freien Universität Berlin. Die Forscher ließen starke Laserpulse mit Nanoglaskügelchen, die aus mehreren Millionen Atomen bestehen, interagieren. Je nachdem, wie viele Atome in den Nanokügelchen zusammengefasst waren, reagierten die Objekte unterschiedlich, und zwar innerhalb von Attosekunden (eine Attosekunde ist ein Milliardstel einer Milliardstel Sekunde). In Abhängigkeit ihrer Größe entstehen an der Oberfläche der Glaskügelchen sogenannte Nahfelder, mit denen Elektronen kontrolliert in verschiedene Richtungen ausgesendet werden konnten. Die Forschungsergebnisse könnten langfristig die Methoden bei der Bildgebung in der Medizin und bei der Krebsbekämpfung erweitern. Wenn starke Lichtpulse auf Nanoteilchen treffen, dann bleibt in den Atomverbünden nichts wie es war. Sobald die Atome das elektromagnetische Feld des Lichts spüren, fangen deren Elektronen an zu schwingen: An der Oberfläche der Kügelchen bilden sich sogenannte Nahfelder aus. Das sind elektromagnetische Felder mit Abmessungen im Nanometerbereich, die je nach Wellenlänge des eintreffenden Lichts in einer charakteristischen Weise schwingen. Die LAP-Physiker um Prof. Matthias Kling untersuchten Nanoglaskügelchen aus Siliziumdioxid mit Durchmessern zwischen 50 und 550 Nanometern, die in der Gruppe um Prof. Eckart Rühl an der Freien Universität Berlin chemisch hergestellt wurden. Auf die Atomverbünde ließen die Wissenschaftler starke, rund vier Femtosekunden lange Laserpulse treffen (eine Femtosekunde ist ein Millionstel einer Milliardstel Sekunde). Sobald die Wellen des elektromagnetischen Lichtfeldes die Nanokugeln erfasst hatten, bildeten sich an deren Oberfläche die Nahfelder aus und begannen zu pulsieren. Je größer die vom Licht getroffenen Kügelchen im Vergleich zu der eingesetzten Laserwellenlänge von 720 Nanometer waren, desto weiter wanderten die Nahfelder von der Polgegend in Richtung der Rückseite der Teilchen und wirken dabei als Elektronenkatapult. Das konnten die Forscher beobachten indem sie während des Durchgangs des Laserpulses mit Teilchendetektoren die Flugbahnen von Elektronen aufzeichneten, die inmitten der Nahfelder von den Nanokügelchen ausgesandt wurden. Die Energie und Richtung der emittierten Elektronen ist in diesem Fall verknüpft mit der räumlichen und zeitlichen Struktur der Nahfelder. Die Emission von Elektronen selbst ist eine Art Ping-Pong-Spiel an der Oberfläche der Nanokügelchen, das sich mit einer Genauigkeit im Attosekundenbereich steuern lässt, erläutert Prof. Thomas Fennel von der Uni Rostock. Er führte Gerichtete Elektronenbeschleunigung an Glas-Nanokugeln. Ein Femtosekunden-Laserpuls (von links kommend) trifft auf ein Glas-Nanokügelchen. Das Licht schlägt Elektronen (grün) aus dem gläsernen Atomverbund. Grafik: M. Dulovits

4 mit seinem Team Berechnungen durch, die die mikroskopischen Vorgänge und deren Ablauf aufdecken. Die Elektronen verlassen zunächst die Kugeln, werden dann wieder in Richtung der Oberfläche zurückgezogen. Dort prallen sie ab und erhalten aus dem Nahfeld einen finalen, starken Impuls, der sie endgültig aus dem Nanoteilchen herauslöst, ergänzt Matthias Kling. Da man die Richtung der Aussendung von Teilchen über Laserlicht kontrollieren kann, wäre eine medizinische Anwendung als Langzeitperspektive denkbar. Mit der gerichteten Elektronenbewegung könnte man gerichtet Röntgenstrahlung für die Bildgebung produzieren, erläutert Eckart Rühl. Verwendet man genügend starke Laserpulse, wäre es auch denkbar, Ionen, also geladene Atome, aus dem Nanoverbund zu lösen und damit gerichtete Ionenstrahlung zur Bekämpfung von Tumoren zu erhalten. Ferner könnte sich herausstellen, dass die Technik Perspektiven zur Materialverarbeitung jenseits des Beugungslimits eröffnet etwa um Nanometer große Bereiche von einer Oberfläche abzutragen. Die Kombination aus starken Lichtpulsen und Nanoteilchen könnte zu einem wichtigen Baustein für die Elektronik der Zukunft werden. Mit der sogenannten lichtwellengesteuerten Elektronik wäre man in der Lage, Datenübertragung und Speicherung mit der Frequenz von Lichtwellen (rund Schwingungen pro Sekunde) zu betreiben. Das wäre etwa Mal schneller als es gegenwärtig möglich ist. Thorsten Naeser Originalpublikation: F. Süßmann et al.; Field propagation induced directionality of carrier-envelope phase controlled photoemission from nanospheres. Nature communications, 12. August 2015, doi: /ncomms

5 Am Puls Centre for Advanced Laser Applications Auf der Baustelle haben die Frauen das Sagen 4

6 Auf der Baustelle des Centre for Advanced Laser Applications (CALA) geht es in großen Schritten voran: das Gebäude ist von außen fertig - im Moment läuft der Innenausbau. Zeit für einen Baustellenbesuch bei der wahrscheinlich einzigen Großbaustelle Münchens, deren Leitung fest in weiblicher Hand liegt. 5

7 Am Puls Centre for Advanced Laser Applications Man sieht hier sehr viel Elan. Sofie Eberle Seit Errichtung der Baustelle vor anderthalb Jahren arbeiten Sabrina Koch (28) und ihre Kollegin Sofie Eberle (29) als Bauleiterinnen für das Centre for Advanced Laser Applications (CALA). Die beiden haben die Baustelle fest im Griff, koordinieren die Handwerker und haben vor allem eines im Blick: den Zeitplan. Im Juni 2016 soll die Schlüsselübergabe stattfinden. Dann werden die beiden Ingenieurinnen zwei Jahre lang ihren Arbeitsplatz im Baustellencontainer am östlichen Ende der CALA-Baustelle gehabt haben. Für die beiden eine eher kurze Zeit: Unser Büro macht hauptsächlich Krankenhausbau, das geht meistens über fünf Jahre. meint Koch. Der Container ist zweckmäßig eingerichtet, auf den Tischen und Schreibtischen stapeln sich Baustellen-Pläne und Ordner. Im Regal liegen Helme für die Runde auf der Baustelle, an der Tür steht festes Schuhwerk. Die beiden haben jederzeit ein Auge auf die Baustelle, auch während unseres Gesprächs muss Sofie Eberle schnell hinausspringen und das Abstellen mehrerer Container koordinieren. Dass eine Baustelle von zwei Frauen geleitet wird, ist ungewöhnlich, meistens zieht es Ingenieurinnen eher ins Planungsbüro. Bei Sabrina Koch und ihrer Kollegin war die Entscheidung klar: Es ist ein abwechslungsreicher Beruf, man weiß nie, was der Tag bringt. Wenn es dann am Container klopft, denkt man sich oft: Nein! Nicht schon wieder! Trotzdem ist es lösungsorientiertes Arbeiten. Ich glaube, das macht so Spaß daran. Unterstützung bekommen die beiden von einer weiteren Frau: Daniela Kores vom Staatlichen Bauamt München II, vertritt den Freistaat Bayern als Auftraggeber des Baus. Sie kommt mehrmals pro Woche auf die Baustelle und nimmt an den Handwerker-Runden teil. Auf der Baustelle arbeiten, wenn es hoch hergeht, bis zu 50 Menschen im ersten Baustellenjahr war noch keine einzige Frau dabei. Die beiden Ingenieurinnen kommen gut damit zurecht. Sofie Eberle bilanziert: In ganz wenigen Fällen haben wir das Gefühl, wir kommen nicht so ganz durch, wie wir gerne würden, aber im breiten Feld haben wir überhaupt keine Probleme. Der Austausch ist hervorragend. Sabrina Koch: Ich glaube, das liegt an den Frauen! Wenn nur Männer am Tisch sind, dann ist es schon rauer, auch von den Ausdrücken. Wenn Frauen dabei sind, ist alles viel ruhiger, die Leute sind lösungsorien- 6

8 tierter und hauen weniger auf den Tisch. Trotzdem müssen die beiden manchmal schlichten: Wenn sich zwei Männer hakeln und keiner will einen Schritt auf den anderen zugehen, stehen wir da und müssen sagen: jetzt beruhigen wir uns alle wieder und reden noch mal über das Problem. Beim Gang über die Baustelle sehen sich die beiden aufmerksam um, ihnen entgeht keine Ungenauigkeit in der Ausführung. Die Baustelle ist mittlerweile ihr Baby geworden, sie kennen jeden Winkel. Bis zur Schlüsselübergabe Ende Juni nächsten Jahres gibt es noch viel zu tun. Sofie Eberle ist jetzt schon sehr stolz auf alle, die bislang an CALA gearbeitet haben: Man sieht sehr viel Elan. Groß sei auch das Interesse seitens der künftigen Nutzer, meint Eberle: Immer wieder kommen Wissenschaftler und wollen über die Baustelle laufen und sich den Fortschritt ansehen, sie wollen ihre Räume für die Experimente sehen. Als Baustellenleitung freuen sich Koch und Eberle aber vor allem auf eines: das fertige Gebäude: Wenn man dann beim ersten Tag der offenen Tür da ist und durch das Gebäude geht, da geht einem schon das Herz auf! Karolina Schneider Sabrina Koch und Sofie Eberle in ihrem Büro, gleich neben der CALA Baustelle. Foto: Naeser 7

9 Am Puls Lichtgetriebene Ionenstrahlung Mit geballtem Licht auf Diamantatome Ein internationales Physikerteam um Prof. Jörg Schreiber hat mit Hilfe von Nanoröhrchen Laserpulse so modifiziert, dass ihre Kraft gezielter auf Kohlenstofffolien wirkt. Damit verbessern die Forscher die für den medizinischen Einsatz aussichtsreiche, lichtgetriebene Ionenstrahlung. Licht-Materie-Wechselwirkung an Kohlenstofffolien könnte der Schlüssel zu einer neuen Ära in der Ionenbeschleunigung für medizinische Anwendungen sein. Ein internationales Team unter der Führung von Physikern des Exzellenzclusters Munich-Centre for Advanced Photonics (MAP) an der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) und am Max-Planck- Institut für Quantenoptik hat nun die aussichtsreiche Technik der Lichtdruck-Beschleunigung verbessert. Mit ihr gewinnt man aus starken Laserblitzen Ionenpulse. Die Forscher haben erstmals die hauchdünnen Folien aus diamantartigem Kohlenstoff mit Nanoröhrchen bedampft. Sie fungieren bei Bestrahlung mit starken Laserpulsen als Linse und fokussieren den Laser stärker als bisher auf die Kohlenstofffolie. Die Folge davon ist, dass Ionen weitaus höhere Energien aufnehmen als bisher. Damit werden erste Strahlenexperimente mit Kohlenstoff-Ionen an Zellen möglich und ein medizinischer Einsatz der lichtgetriebenen Ionenstrahlung greifbar. Licht verfügt über enorme Kräfte. Treffen etwa hochintensive Laserpulse auf hauchdünne, diamantartige Folien aus Kohlenstoff, lösen sie Ionen heraus und beschleunigen diese auf rund zehn Prozent der Lichtgeschwindigkeit. Es entsteht Ionenstrahlung, getrieben durch den Strahlungsdruck der ultrakurzen Laserpulse. Ionenstrahlung kann zur Behandlung von Tumoren in der Krebstherapie eingesetzt werden, wenn sie über genug Energie verfügt. Aktuell wird diese hochenergetische Strahlung von großen, kostenintensiven Beschleunigern erzeugt. Die Lasertechnologie ist noch nicht in der Lage, eine ebenbürtige Strahlung zu erzeugen. Aber sie hat das Potential die notwendige Technologie für den medizinischen Einsatz der Ionenstrahlung künftig kostengünstiger und platzsparender zur Verfügung zu stellen. Um dies zu erreichen haben die Laserphysiker zwei Optionen: zum einen müssen sie die Intensität der Laserpulse erhöhen. Und zum anderen müssen sie ihre Intensität so kompakt zusammenballen, dass Mit der verbesserten, lichtgetriebenen Ionenstrahlung werden erste Experimente an Zellen möglich. der Puls extrem fokussiert und mit voller Wucht auf die Kohlenstofffolien auftrifft. Letzteres haben nun die MAP- Physiker getan. Die auf die Kohlenstofffolien auftreffenden Laserpulse dauern rund 50 Femtosekunden (eine Femtosekunde ist ein Millionstel einer milliardstel Sekunde) und bestehen aus rund 20 Lichtwellenschwingungen. Das heißt: die in dem Puls gespeicherte elektromagnetischen Kräfte kommen nicht geballt zu einem bestimmten Zeitpunkt auf der Kohlenstofffolie an, sondern der Lichtdruck auf die Ionen wird verhältnismäßig langsam gesteigert bis er ein Maximum erreicht. Erst dann schlägt er die Ionen aus der Folie heraus. Über den gesamten Prozess geht viel Energie verloren. Im MAP-Service-Centre wurden nun die diamantartigen Kohlen- 8

10 Ein Laserstrahl (rot, von links kommend) trifft auf eine Schicht aus Nanoröhrchen. Die Nanoröhrchen fokussieren das Licht auf die dahinter liegende Kohlenstofffolie. Aus ihr werden so Ionen herausgelöst. Die Nanoröhrchen verbessern die Qualität der lichtgetriebenen Ionenstrahlung enorm. Grafik: Isabella Cortrie stofffolien, die Grundlage für die ersten Studien zur Strahlungsdruckbeschleunigung vor fünf Jahren waren, mit einer Mikrometer dünnen Schicht aus Nanoröhrchen bedampft. Diese Röhrchen liegen ungeordnet auf der Folie, wie etwa Stroh in einem Heuhaufen. Die Röhrchen haben zur Folge, dass die Leistung des auftreffenden Laserpulses beim Durchgang so gebündelt wird, dass ihre Kraft augenblicklich auf die dahinter liegende Kohlenstofffolie wirkt und sich nicht erst langsam aufbaut. Zudem fokussieren die Nanoröhrchen die Lichtpulse stark auf einen Brennpunkt auf der Folie. Beide Effekte haben zur Folge, dass die aus der Kohlenstofffolie herausgelösten Ionen über eine deutlich höhere Energie verfügen als bisher (rund 200 Megaelektronenvolt, MeV). Die Experimente wurden im Rahmen des Laserlab-Europe- Programms am ASTRA-Gemini Laser des Rutherford Appleton Laboratory s durchgeführt. In der Kollaboration arbeiteten Forscher aus Deutschland, Großbritannien, Spanien und China. Mit der verbesserten, lichtgetriebenen Ionenstrahlung werden erstmals Experimente mit Kohlenstoff-Ionen an Zellen möglich. Um lichtgetriebene Ionenstrahlung zur Bekämpfung von Tumoren im menschlichen Körper einzusetzen, werden jedoch Energien von mindestens einem GeV (Gigaelektronenvolt) benötigt, also rund fünfmal so viel wie aktuell möglich ist. Denn die Strahlung muss erst gesundes Gewebe durchdringen bis sie einen Tumor erreicht. Dieses Ziel ist nicht utopisch: Auf den Grundlagen des MAP-Forschungsverbunds entsteht auf dem Campus in Garching das Centre for Advanced Laser Applications. Das Laserforschungszentrum wird ein Kurzpulslasersystem, den ATLAS 3000, beherbergen. Mit ihm werden erstmals Laserpulse erzeugt, die über eine Leistung von drei Petawatt verfügen. Die daraus erzeugten Laserpulse in Kombination mit der verbesserten Nanoröhrchen- Kohlenstofffolien-Technologie lassen einen medizinischen Einsatz von lichtgetriebener Ionenstrahlung näher rücken. Thorsten Naeser Originalpublikation: J. H. Bin et al.; Ion Acceleration Using Relativistic Pulse Shaping in Near-Critical-Density Plasmas. Phys. Rev. Lett. 115, (2015), 3 August 2015, doi: /Phys- RevLett

11 Am Puls Lichtgetriebene Röntgenstrahlung Mini-Röntgenquelle mit Laserlicht Physiker der Ludwig-Maximilians-Universität, des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik und der Technischen Universität München haben ein Verfahren aus lasergenerierter Röntgenstrahlung und Phasenkontrast-Röntgentomographie entwickelt, mit dem sie Weichteil-Strukturen in Organismen dreidimensional darstellen. Mit Laserlicht haben Münchner Physiker eine Miniatur- Röntgenquelle gebaut. Damit haben die Forscher vom Labor für Attosekundenphysik des Max- Planck-Instituts für Quantenoptik, der Ludwig Maximilians Universität und der Technischen Universität München erstmals mit Hilfe von lasererzeugter Röntgenstrahlung feinste Strukturen im Körper eines Lebewesens dreidimensional aufgenommen. Mit der lichtgetriebenen Strahlung in Kombination mit der Phasenkontrast-Röntgentomographie machten die Wissenschaftler feinste Details einer nur wenige Millimeter großen Fliege sichtbar. Bis heute wird eine vergleichbare Strahlung in kilometergroßen, teuren Ringbeschleunigern erzeugt. Das lasergetriebene System in Kombination mit der Phasenkontrast- Röntgentomographie zur Darstellung von Weichteilen beansprucht gerade mal ein Universitätslabor. In künftigen medizinischen Anwendungen könnte das neue Bildgebungsverfahren damit kostengünstiger und platzsparender als heutige Technologien zum Einsatz kommen. Selbst feinste Härchen auf den Flügeln einer winzigen Fliege werden sichtbar, wenn die Physiker um Prof. Stefan Karsch und Prof. Franz Pfeiffer ein Insekt mit Röntgenlicht durchleuchten. Das Experiment hat Pioniercharakter. Denn erstmals haben die Wissenschaftler ihre Technik zur Erzeugung von Röntgenstrahlung aus Laserpulsen gekoppelt mit der sogenannten Phasenkontrast-Röntgentomographie, mit der man Gewebe in Organismen darstellen kann. Herausgekommen ist eine dreidimensionale Ansicht des Tieres, die ungeahnte Details sichtbar gemacht hat. Die dazu notwendigen Röntgenstrahlen wurden über Elektronen erzeugt, die von rund 25 Femtosekunden langen Laserpulsen auf einer Strecke von rund einem Zentimeter fast bis auf Lichtgeschwindigkeit gebracht wurden. Eine Femtosekunde dauert ein Millionstel einer milliardstel Sekunde. Die Laserpulse hatten eine Leistung von rund 80 10

12 Terawatt (80x10 12 Watt). Zum Vergleich: Ein Atomkraftwerk verfügt über 1500 Megawatt (1,5x10 9 Watt). Zunächst pflügt der Laserpuls durch ein Plasma, bestehend aus positiv geladenen Atomrümpfen und deren Elektronen, wie ein Schiff durchs Wasser und erzeugt dabei eine Kielwelle, die aus schwingenden Elektronen besteht. Diese Elektronenwelle zieht eine wellenförmig elektrische Feldstruktur nach sich, auf der Elektronen surfen und dadurch beschleunigt werden. Dabei kommen die Teilchen ins Schlingern und emittieren Röntgenstrahlung. Jeder Lichtpuls erzeugt einen Röntgenpuls. Die erzeugte Röntgenstrahlung hat spezielle Eigenschaften: Sie hat eine Wellenlänge von rund 0,1 Nanometer, eine Dauer von nur ca. fünf Femtosekunden und ist räumlich kohärent, das heißt, sie scheint von einem Punkt auszugehen. Die lasergetriebene Röntgenstrahlung kombinierten die Forscher erstmals mit dem Phasenkontrast- Bildgebungsverfahren des Teams von Prof. Franz Pfeiffer von der TU München. Dabei nutzt man, im Gegensatz zur üblichen Absorption, die Brechung der Strahlung an Objekten, um deren Form exakt abzubilden. So wird auch weiches Gewebe sichtbar. Damit dies funktioniert, ist die oben erwähnte räumliche Kohärenz Voraussetzung. Mit diesem lasergestützten Bildgebungsverfahren sind die Forscher in der Lage, Strukturen von ca. 1/10 bis 1/100 des Durchmessers eines menschlichen Haares sichtbar zu machen. Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit dreidimensionale Abbildungen eines Objekts zu erschaffen. Denn nach jedem Röntgenstrahlungspuls, also nach jedem Einzelbild, kann das zu untersuchende Objekt ein Stück gedreht werden. So entstanden beispielsweise von der Fliege rund 1500 Einzelbilder, die dann zu einem 3D-Datensatz zusammengesetzt werden konnten. Aufgrund der Kürze der Röntgenpulse kann diese Technik in Zukunft auch ultraschnelle Vorgänge auf der Femtosekunden-Zeitskala, wie sie etwa in Molekülen vorkommen, erschließen, quasi also durch Belichtung mit einem Femtosekunden-Blitzlicht. Vor allem aber interessant wird die Technologie für medizinische Anwendungen. Denn sie ist in der Lage, Unterschiede in der Dichte von Gewebe sichtbar zu machen. Tumorgewebe etwa haben eine geringere Dichte als gesundes Gewebe. Damit bietet das Verfahren eine großartige Perspektive Tumore, die kleiner als ein Millimeter sind, lokal in ihrem Frühstadium aufzuspüren, bevor sie in den Körper streuen und ihre tödliche Wirkung entfalten. Dazu müssen die Forscher jedoch die Wellenlänge der Röntgenstrahlung noch weiter verkürzen, um dickere Gewebeschichten als bisher zu durchdringen. Thorsten Naeser Originalpublikation: J. Wenz et al; Quantitative X-ray phase-contrast microtomography from a compact laser-driven betatron source. Nature Communications, 20. Juli 2015; doi: /ncomms

13 Am Puls PhotonLab Abhörsicher im PhotonLab Das PhotonLab hat aufgerüstet: für alle Schüler, die hier Experimente zum Thema Licht machen wollen, gibt es jetzt einen neuen Versuchsaufbau zur Quantenkryptografie. Anhand eines Analogieversuchs wird die abhörsichere Verschlüsselung und Übertragung von Botschaften mittels Quantenteilchen erklärt. 12 Den neuen Versuch zur Quantenkryptografie haben zwei Schüler im Rahmen ihres Praktikums im PhotonLab aufgebaut und eingerichtet: Nicolas Cording (17) und Philipp Kerth (18). Philipp hat den Aufenthalt im PhotonLab als Preis beim bayerischen Landeswettbewerb von Jugend forscht gewonnen. Beide wollen Physik studieren, für Nicolas ist die Zeit im PhotonLab eine gute Vorbereitung: Hier kann man sehen, mit was man sich dann während des Studiums beschäftigt. Beim Versuch, den die beiden aufgebaut haben, geht es um die Verschlüsselung von Informationen mit Hilfe von quantenmechanischen Prozessen. Ein solches Signal kann nicht kopiert werden und ist daher abhörsicher. Der Versuchsaufbau im PhotonLab ist ein Analogieversuch. Das heißt in der Realität würde die abhörsichere Verschlüsselung darin bestehen, dass eine Einzelphotonenquelle genutzt wird. Im Analogieversuch wird das mit polarisiertem Licht nachempfunden. Hierzu wird über die Polarisation des Laserlichts ein Binärcode sicher übertragen. Der Empfänger kann erkennen, ob jemand versucht, das Signal abzuhören. Der Versuch wird von bis zu drei Schülern

14 Man hat diese kleinen Schräubchen und es dauert ewig bis es so passt, dass der Laserstrahl genau trifft. Philipp Kerth durchgeführt: einer verschlüsselt, einer agiert als Empfänger und der Dritte versucht abzuhören. Für den Aufbau haben Nicolas und Philipp eine Woche mit vollem Einsatz gearbeitet. Philipp: Man hat diese kleinen Schräubchen und es dauert ewig bis es so passt, dass der Laserstrahl genau trifft. Das ist eine mühevolle Kleinarbeit, aber wenn s funktioniert ist es umso cooler. Der Versuch steht und Philipp hat sogar noch eine Anleitung dazu erstellt, die die Schüler auf dem ipad nachlesen können: Das Prinzip wie der Versuchsaufbau funktioniert, ist nicht ganz einfach. Man muss ein bisschen ausholen, wie Computer ihre Signale übertragen, aber dann wird das ganz praktikabel. Damit können jetzt alle interessierten Schüler mit dem Experiment zur Quantenkryptografie loslegen. Karolina Schneider Im PhotonLab justieren Nicolas Cording (l.) und Philipp Kerth die kleinen Schrauben um über polarisiertes Licht Informationen zu übertragen (Foto S. 12) im Quantenkryptografie-Labor bekommen sie dann von Doktorand Lukas Knips erklärt wie es in der richtigen Forschung am MPQ funktioniert. Fotos: Naeser 13

15 Am Puls Spektrum RÖNTGEN-PREIS FÜR ELEFTHERIOS GOULIELMAKIS AUSZEICHNUNG FÜR KATIA PARODI Dr. Eleftherios Goulielmakis, Forschungsgruppenleiter der Gruppe Attoelectronics am MPQ, hat den diesjährigen Röntgen-Preis an der Justus-Liebig-Universität Gießen erhalten. Goulielmakis wurde für seine herausragenden Beiträge auf dem Gebiet der Attosekundenphysik und technologie mit weichem Röntgenstrahlen ausgezeichnet. Erst vor kurzem hat Goulielmakis mit seiner Gruppe eine neue Technik entwickelt, die es ermöglicht, aus Festkörpern ultraviolette Strahlung zu gewinnen. Die Technik bietet Perspektiven, die Photonik im Bereich weicher Röntgenstrahlung zu erweitern. Gleichzeitig verbessert sie unser Verständnis, wie wir Licht in Zukunft nutzen um licht-basierte elektronische Schaltungen zu realisieren, die bis zu mal schneller arbeiten als moderne Computer. thn/foto: thn MAP-WISSENSCHAFTLER IM DEUTSCHEN MUSEUM Die American Association of Physicists in Medicine (AAPM) hat Prof. Katia Parodi mit dem diesjährigen John S. Laughlin Young Scientist Award ausgezeichnet. Die Auszeichnung wird jährlich an ein Mitglied der AAPM verliehen, das her- ausragende wissenschaftliche Leistungen in den frühen Jahren seiner Karriere erbracht hat. Der Preis wurde im Juli beim Jahrestreffen der Gesellschaft in Anaheim, Kalifornien verliehen. Foto: Joe Orlando/AAPM CESAR-PREIS FÜR GABRIELE MULTHOFF MAP-Forscherin Prof. Gabriele Multhoff ist vom Expertennetzwerk CESAR (Central EuropeanSociety for Anticancer Drug Research-EWIV) für ihre herausragenden Arbeiten im Bereich der Translationalen onkologischen Forschung in der Onkologie ausgezeichnet worden. Der mit Euro dotierte CESAR-Preis wird alle zwei Jahre an Wissenschaftler für Arbeiten im Bereich der 14 Translationalen Forschung, also der Schnittstelle zwischen präklinischer Forschung und klinischer Entwicklung, zur Produktion antitumoraler Wirkstoffe vergeben. Foto: Hetfleisch Auch in diesem Jahr hatten MAP-Wissenschaftler die Möglichkeit, ihre Forschung in der Reihe Wissenschaft für jedermann, im Deutschen Museum vorzustellen. Dr. Elefetherios Goulielmakis erklärte wie sein Team Lichtwellen kontrolliert. Dr. Thomas Udem sprach über die Möglichkeiten wie man die Quantentheorie und Experimente am Wasserstoffatom in Übereinstimmung bringt. Die Vorträge waren mit jeweils 200 Zuhörern nahezu ausverkauft. thn

16 MAP-WORKSHOP: VON DER MEDIZIN BIS ZUR ATTOSEKUNDENPHYSIK: IN WILDBAD KREUTH TRAFEN SICH NEUNZIG NACHWUCHSWISSENSCHAFTLER Von der Medizin bis zur Attosekundenphysik reichte das Spektrum der Vorträge beim zweiten MAP/IMPRS Workshop für Nachwuchswissenschaftler in Wildbad Kreuth. Rund 90 Teilnehmer trafen sich im Juli am Fuß des Schildensteins um sich einen Überblick zu verschaffen über die aktuellen Forschungsthemen im MAP-Cluster und der IM- PRS. Die Vorträge drehten sich um Radiologie, Strahlenbiologie und Onkologie, ultraschnelle Physik, rechnergestütze Physik und Femtochemie. An zwei Abenden lud eine Postersession zu angeregten Diskussionen ein. Dabei konnten alle Teilnehmer ihre Arbeit persönlich vorstellen. Und auch der Schildenstein war vor dem wissenschaftlichen Nachwuchs nicht sicher. Einige der Teilnehmer bezwangen den Berg und genossen den etwas wolkenverhangenen Blick in die Alpen. Mehr Fotos vom Workshop und der Bergtour gibt s auf unserer Facebook-Seite ( thn/ks/fotos: Schneider EINWEIHUNG AN DER TU-MÜNCHEN: NEUE QUELLE FÜR BRILLANTE RÖNTGENSTRAHLEN: Am Lehrstuhl für Biomedizinische Physik der TUM gab es Grund zum Feiern. Im Oktober luden die Mitarbeiter zur Einweihung der Munich Compact Light Source (MuCLS) in das Zentralinstitut für Medizintechnik (IMETUM) ein. Mit MuCLS haben die Forscher dort das weltweit erste Mini-Synchrotron in Betrieb genommen. Das Synchrotron erzeugt auf einer Fläche von nur 5 x 3 Meter hoch brillante Röntgenstrahlen. Mit der Teilchenquelle sollen vor allem biomedizinische Fragestellungen erforscht werden. Seit einigen Jahren lassen sich hoch brillante Röntgenstrahlen mit ringförmigen Teilchenbeschleunigern erzeugen. Diese haben bisher einen Durchmesser von mehreren hundert Metern und kosten einige Milliarden Euro. MuCLS dagegen nutzt eine Technik, bei der Röntgenstrahlen entstehen, wenn Laserlicht auf schnelle Elektronen trifft. Der Vorteil: hierfür können die Elektronen viel langsamer sein. Deshalb können sie auch in einem kleinen Ringbeschleuniger von weniger als 5 Meter Umfang gespeichert werden. Die MuCLS-Röntgenstrahlen sind extrem hell und intensiv. Die Energie der Strahlen lässt sich genau steuern, so dass sie zum Beispiel für unterschiedliche Gewebetypen einsetzbar sind. Damit können auch kleinere Tumore im Gewebe erkannt werden. Prof. Franz Pfeiffer (M.) stellt seinen Gästen am IME- TUM das neue Mini- Synchrotron vor. Foto: Heddergott Das Team um Prof. Franz Pfeiffer wird die neue Röntgenquelle darüber hinaus zur Erforschung von Knocheneigenschaften bei Osteoporose und der Bestimmung veränderter Lungenbläschengroße bei Lungenkrankheiten einsetzen. TUM/ks/thn 15

17 4D-Filmproduktion mit ultrakurzen Elektronenblitzen Wer den Mikrokosmos und seine Dynamik erforschen will, benötigt eine Hochgeschwindigkeitskamera für Atome. Um die Bewegungen dieser Teilchen während einer Reaktion scharf abzubilden, benötigt man Verschlusszeiten von Femtosekunden. Denn genauso schnell läuft das Geschehen bei chemischen Reaktionen ab. Femtosekunden-lange Verschlusszeiten stellt die Kurzpulslasertechnik zur Verfügung. Aber Laserlicht kann die Atome nicht räumlich auflösen. Jetzt ist es Physikern vom Labor für Attosekundenphysik an der LMU und dem MPQ gelungen, Elektronenblitze mit einer Dauer von nur 28 Femtosekunden zu erzeugen. Das ist sechsmal kürzer, als es bisher möglich war. Die Länge der Materiewellen ist rund acht Pikometer. Aufgrund dieser kurzen Wellenlänge lassen sich bei Beugungsexperimenten selbst einzelne Atome erkennen. Denn: Treffen Elektronen auf ein Molekül oder Atom, werden sie aufgrund ihrer kurzen Wellenlänge unterschiedlich stark abgelenkt und erzeugen so am Detektor ein Interferenzmuster, aus dem man die atomare Struktur der Probe rekonstruiert. Sind die Impulse kurz genug, entsteht ein scharfer Schnappschuss der Bewegung, wie er hier im Bild zu sehen ist. Aus vielen solcher Schnappschüsse kurz hintereinander aufgenommen, erhält man einen Film über den Ablauf des Geschehens und kann so die schnellsten atomaren Bewegungen in vier Dimensionen, nämlich in Raum und Zeit, aufzeichnen. thn/bild. Alexander Gliserin Originalveröffentlichung: A. Gliserin, M. Walbran, F. Krausz, P. Baum., Sub-phonon-period compression of electron pulses for atomic diffraction. Nature Communications, 27. Oktober 2015, doi: /ncomms9723.

18 Am Puls Blick in den Mikrokosmos Auf ultraschneller Wanderschaft im Graphen Trifft Licht auf Elektronen, bewegen diese sich innerhalb weniger Milliardstel von milliardstel Sekunden. Was mit Elektronen in Graphenatomen passiert, wenn starke Laserpulse auf sie treffen, haben Forscher des Labors für Attosekundenphysik des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik und der Ludwig-Maximilians-Universität in Zusammenarbeit mit dem Center for Nano-Optics der Georgia State University in Atlanta (USA) simuliert. Ziel solcher Simulationen ist das Verständnis der Licht-Teilchen-Wechselwirkung im Mikrokosmos. Zukünftig könnte so eine lichtwellengesteuerte Elektronik möglich werden, die rund Mal schneller wäre als heutigen Technologien. Sie würde mit der Frequenz von Lichtwellen arbeiten, die rund eine Million Milliarden Mal pro Sekunde schwingen (Petahertz). Graphen mit seinen außergewöhnlichen Eigenschaften eignet sich dabei als Material für erste Versuche besonders gut. thn/graphik: Christian Hackenberger Originalpublikation: Vladislav S. Yakovlev, et.al.; Atomicscale diffractive imaging of sub-cycle electron dynamics in condensed matter. Scientific Reports, 28. September 2015, doi: /srep

19 IMPRESSUM AM PULS - der Newsletter des Munich-Centre for Advanced Photonics (MAP), gefördert durch die Exzellenzinitiative der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG); Herausgeber: Pressebüro des Munich-Centre for Advanced Photonics Redaktion: Thorsten Naeser und Karolina Schneider, Layout: Thorsten Naeser Anschrift der Redaktion: MAP-Pressebüro, Am Coulombwall 1, Garching, thorsten.naeser@mpq.mpg.de Tel.: Der MAP-Newsletter erscheint in seiner ersten Druckausgabe mit Unterstützung der Firma Toptica Photonics AG.