Wissenschaft leicht gemacht: Was ist ultraschnelle Wissenschaft?

Startseite » Wissenschaft leicht gemacht: Was ist ultraschnelle Wissenschaft?
Wissenschaft leicht gemacht: Was ist ultraschnelle Wissenschaft?

Ultraschnelle Wissenschaft ist die Untersuchung von Prozessen in Atomen, Molekülen oder Materialien auf einem Femtosekunde skalieren oder schneller. Eine Femtosekunde ist ein Millionstel einer Milliardstel Sekunde oder 10-15 Sekunden.

Ultraschnelle Wissenschaft ist die Untersuchung von Prozessen in Atomen, Molekülen oder Materialien, die in Millionstel einer Milliardstel Sekunde oder schneller ablaufen. Diese Zeitskala wird aufgerufen Femtosekunden, was 10 entspricht-15 Sekunden. Bei der ultraschnellen Wissenschaft verwenden Forscher kurze Pulse von Photonen, Elektronen und Ionen, um Materie zu untersuchen. Femtosekunden-Röntgenpulse können Stop-Motion-Bilder davon erzeugen, wie sich Atome während molekularer Transformationen bewegen oder wie sie auf Dünnfilmoberflächen vibrieren. Diese Zeitskala ermöglicht es Wissenschaftlern, die Details zu untersuchen, wie sich Prozesse, die für das Leben grundlegend sind, im Laufe der Zeit verändern. Sie können beispielsweise untersuchen, wie chemische Bindungen aufbrechen und sich bilden und wie angeregte Elektronen die Energielandschaft von Materialumwandlungen umgestalten.

Neuere Tools können Impulse mit einer Dauer von Hunderten von erzeugen Attosekunden (10-18 Sekunden). Mit diesen noch schnelleren Pulsen können Wissenschaftler verfolgen, wie sich Elektronen bewegen, wenn sie in chemischen Reaktionen angeregt werden.


Wissenschaftler verfolgten erstmals ultraschnelle strukturelle Veränderungen, als sich ringförmige Gasmoleküle entwirrten, nachdem sie durch Licht aufgespalten wurden. Die Messungen wurden nacheinander als Grundlage für Computeranimationen zusammengestellt, die molekulare Bewegungen zeigen. Bildnachweis: Video mit freundlicher Genehmigung des SLAC National Accelerator Laboratory

Ultraschnelle wissenschaftliche Experimente erweitern unser Verständnis darüber, wie sich atomare, elektronische und magnetische Strukturen auf fundamentalen Zeitskalen bewegen und verändern. Sie helfen uns auch, diese Ergebnisse mit Materialien und chemischen Eigenschaften zu verknüpfen. Wissenschaftler, die diese Phänomene untersuchen, gewinnen neue Erkenntnisse darüber, wie Materialien mit neuen Eigenschaften und effizienteren chemischen Prozessen entworfen werden können.

Ultraschnelle wissenschaftliche Fakten

  • Die Entwicklung von Freie-Elektronen-Röntgenlasern ist ein Durchbruch für die ultraschnelle Wissenschaft.
  • Ahmed Zewail erhielt 1999 den Nobelpreis für Chemie für die Erfindung der „Femtochemie“.
  • In einer Femtosekunde legt Licht nur 300 Nanometer zurück, eine Entfernung, die mit der Größe eines Virus vergleichbar ist.
  • Eine Femtosekunde verhält sich zu 1 Sekunde wie 1 Sekunde zu 30 Millionen Jahren.
  • Bis heute dauern die kürzesten Röntgenlaserpulse, die von LCLS geliefert werden, 5 Femtosekunden, ungefähr die gleiche Zeit, die ein Molekül braucht, um ein Elektron abzugeben.
  • Die meisten Ultrakurzzeitexperimente beinhalten die Schmalzeitpulsfähigkeit von optischen Lasern. Diese Laserpulse können dann in andere Pulsarten umgewandelt werden. Das Ergebnis ist, dass Forscher Experimente maßschneidern können, indem sie Pulse aus einer Auswahl elektromagnetischer Strahlungsenergie (einschließlich Röntgenstrahlen) und Partikeln wie Elektronen auswählen.
  • Die gebräuchlichste Form eines ultraschnellen Experiments beinhaltet einen „Pump“-Impuls, um das zu untersuchende Material anzuregen, und nach einer ausgewählten ultrakurzen Zeitverzögerung einen „Sonden“-Impuls, um ein Merkmal in der Probe zu messen. Wissenschaftler variieren die Zeitverzögerung und messen den zeitlichen Verlauf des angeregten Zustands, wenn das System ins Gleichgewicht zurückkehrt. Pump und Sonde können unterschiedliche Arten von Impulsen sein, abhängig von der Art der gewünschten Anregung und der Art der zu messenden Eigenschaft.

DOE Office of Science: Beiträge zur ultraschnellen Wissenschaft

Das DOE Office of Science, Office of Basic Energy Sciences (BES) investiert in Grundlagenforschung und Nutzereinrichtungen für ultraschnelle Wissenschaft. Diese Forschung umfasst grundlegende Untersuchungen von Änderungen in der elektronischen Struktur von Materialien und des Energieflusses in neuen Materialien und chemischen Systemen. Die Linac Coherent Light Source (LCLS) am SLAC National Accelerator Laboratory ist eine erstklassige Einrichtung für ultraschnelle wissenschaftliche Forschung. LCLS war der weltweit erste Freie-Elektronen-Laser mit harter Röntgenstrahlung. Es verwendet starke Röntgenlichtblitze – jeder so kurz wie 5 Femtosekunden und eine Milliarde Mal heller als die bisher verfügbaren – um atomare Schnappschüsse zu machen. Das LCLS wird noch leistungsfähiger sein, wenn SLAC die Arbeit am aktualisierten LCLS-II abschließt. Forscher reihen diese aneinander, um Filme über chemische und physikalische Prozesse zu erstellen. Einblicke in diese grundlegenden, ultraschnellen Bewegungen könnten dazu beitragen, einige der Geheimnisse der natürlichen Welt zu lösen und die Entwicklung innovativer Materialien, Energielösungen, Medikamente und mehr zu unterstützen.