Momentaufnahmen auf atomarer Ebene

Ein internationales Team von Forschenden hat eine neuartige Röntgentechnik für die Bildgebung auf atomarer Ebene entwickelt, die unser Verständnis der Elektronenbewegung auf mikroskopischer Ebene revolutionieren könnte. Um detaillierte Momentaufnahmen von atomaren Prozessen zu erstellen, nutzten sie die außerordentlichen Möglichkeiten des European XFEL Röntgenlasers in Schenefeld bei Hamburg, des größten Röntgenlasers der Welt.

Die Technik, die als stochastische stimulierte Röntgen-Raman-Streuung (s-SXRS) bezeichnet wird, wandelt Rauschen in wertvolle Daten um und liefert Momentaufnahmen der elektronischen Strukturen von Atomen.

Die Raman-Streuung liefert eine Art „Fingerabdruck“ von den mit Röntgenlicht beleuchteten Atomen oder Molekülen. Forschende erhalten dadurch Informationen über deren angeregte elektronische Zustände.

Der innovative Ansatz wurde von Forschenden des Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE), des Max-Planck-Instituts für Kernphysik, von European XFEL und anderer Einrichtungen entwickelt. Er ebnet nach Ansicht der Forschenden den Weg für Durchbrüche in der chemischen Analyse und Materialwissenschaft.

„Seit langem träumen Chemikerinnen und Chemiker davon, zu sehen, wie sich Elektronen in angeregten Zuständen bewegen, da dies chemische Reaktionen antreibt“, sagt Linda Young, Argonne Distinguished Fellow und Professorin an der University of Chicago. „Unsere Technik bringt uns der Verwirklichung dieses Traums näher.“

Ein Upgrade in Ultra-HD

Die superauflösende Technik hilft dabei, sehr eng beieinander liegende Energieniveaus in Atomen zu identifizieren. Gleichzeitig bietet sie tiefe Einblicke in elektronische Strukturen, die viele chemische Eigenschaften bestimmen.

„Stellen Sie sich das wie ein Upgrade von einem Standard-Fernseher auf einen Ultra-HD-Bildschirm vor“, erklärt Young. „Wir sind jetzt in der Lage, die feinen Details der Elektronenbewegung zu sehen, die zuvor verschwommen oder unsichtbar waren.“

Die potenziellen Anwendungen der s-SXRS sind breit gefächert – etwa beim Verstehen chemischer Bindungen oder beim Design neuer Materialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften. Dies ist besonders für Branchen wie Elektronik oder Nanotechnologie relevant.

Aufbau und Durchführung des Experiments

Für die Experimente schickten die Forschenden Röntgenblitze durch ein Neongas und sammelten die resultierende Strahlung mit einem Spektrometer. Die rund fünf Millimeter kleine Hochdruck-Gaszelle stammte vom Max-Planck-Institut für Kernphysik.

Der intensive Röntgenstrahl erzeugte winzige Löcher in den Ein- und Ausgangsfenstern der Zelle, sodass das Röntgenlicht das Gitterspektrometer erreichte – ein Gerät, das Licht in seine Wellenlängen zerlegt. Dieses Spektrometer wurde von der Universität Uppsala bereitgestellt.

Die Expertinnen und Experten von European XFEL koordinierten Aufbau und Test des Versuchs. „Dadurch konnten wir optimale Fokussierungsbedingungen gewährleisten, die für die effiziente Erfassung großer Datenmengen während des Experiments entscheidend waren“, erklärt Michael Meyer, Gruppenleiter des Instruments Small Quantum Systems (SQS) bei European XFEL und Forscher im Exzellenzcluster „CUI: Advanced Imaging of Matter“.

Vom Rauschen zur hochauflösenden Information

Durchdringt der Röntgenstrahl das Gas, werden die Raman-Signale fast um das Milliardenfache verstärkt. Innerhalb von Billionstel Sekunden entstehen so präzise Informationen über die elektronische Struktur. Statt einzelne Energieniveaus nacheinander zu erfassen, analysierten die Forschenden die Beziehung zwischen den einfallenden Impulsen und den Raman-Signalen – ein neues Konzept für die Spektroskopie.

„Die große Anzahl von Röntgen-Photonen in jedem Röntgenblitz ist der Schlüssel zur höchsten spektralen Auflösung, da viele dieser Lichtquanten gleichzeitig den Detektor treffen“, sagt Thomas Pfeifer vom Max-Planck-Institut für Kernphysik und dem Exzellenzcluster STRUCTURES der Universität Heidelberg.

„Dieser Ansatz ähnelt der superauflösenden Fluoreszenzmikroskopie, für deren Entwicklung unter anderem der Max-Planck-Forscher Stefan Hell 2014 mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet wurde“, fügt Pfeifer hinzu.

Ein entscheidender Baustein war die sogenannte Kovarianzanalyse – eine statistische Methode, die einfallende Röntgenimpulse mit emittierten Raman-Signalen verknüpft. So wird früher als „Rauschen“ abgetane Information zur nutzbaren Ressource, die hochauflösende und schnelle Momentaufnahmen erlaubt.

Simulationen und Ausblick

Unterstützung erhielt das Team von der Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), die die nötige Rechenleistung für die Simulationen bereitstellte. Diese zeigten gute Übereinstimmung mit den Messergebnissen und lieferten zusätzliche Erkenntnisse zur Wechselwirkung von Röntgenlicht mit Materie. Die Forschenden sehen in der neuen Technik ein mögliches Standardwerkzeug für Labore weltweit.

„Diese Studie ist ein hervorragendes Beispiel für die Leistungsfähigkeit des European XFEL, insbesondere für seine hohen Intensitäten und die kürzlich demonstrierte Erzeugung extrem kurzer Röntgenimpulse mit einer Dauer von weniger als einer Billionstel Sekunde. Diese Fortschritte werden sicherlich weitere Untersuchungen zur Entschlüsselung der Dynamik komplexer chemischer Reaktionen nach sich ziehen“, so Michael Meyer.

„Wir stehen erst am Anfang dessen, was wir mit dieser Detailgenauigkeit erreichen können“, sagt Linda Young. „Es ist eine spannende Zeit für Wissenschaft und Technologie.“

Beteiligte Institutionen und Förderung

Zu den Mitwirkenden zählten unter anderem Christian Ott, Alexander Magunia und Marc Rebholz (Max-Planck-Institut für Kernphysik), Marcus Agåker (Universität Uppsala und Universität Lund), Phay Ho und Gilles Doumy (Argonne National Laboratory), Marc Simon (Sorbonne-Universität), Tommaso Mazza, Alberto De Fanis, Thomas M. Baumann, Jacobo Montano, Nils Rennhack, Sergey Usenko und Yevheniy Ovcharenko (European XFEL), Kalyani Chordiya (Universität Hamburg und Louisiana State University), Lan Cheng (Johns Hopkins University), Jan-Erik Rubensson (Universität Uppsala) und Mette B. Gaarde (Louisiana State University).

Gefördert wurde die Arbeit u. a. vom DOE Office of Science, dem Exzellenzcluster „CUI: Advanced Imaging of Matter“ (Hamburg), dem Exzellenzcluster STRUCTURES (Heidelberg), dem European Research Council (ERC) sowie der Max-Planck-Gesellschaft.

Originalpublikation:
Li, K., Ott, C., Agåker, M., Ho, P. J., Doumy, G., Magunia, A., Rebholz, M., Simon, M., Mazza, T., De Fanis, A., Baumann, T. M., Montano, J., Rennhack, N., Usenko, S., Ovcharenko, Y., Chordiya, K., Cheng, L., Rubensson, J.-E., Meyer, M., Pfeifer, T., Gaarde, M. B., & Young, L. (2025). Super-resolution stimulated X-ray Raman spectroscopy. Nature, 643, 662–668. DOI:10.1038/s41586-025-09214-5

Quelle: European XFEL