Wissen: Physiker „drehen“ den schnellsten Film der Welt

Die Zeitlupe ist eines der beliebtesten Spielzeuge von Fernsehleuten. Da werden beispielsweise der Flug eines Fußballs ins Tor oder einer Pistolenkugel durch ein Hühnerei in mehreren dicht aufeinanderfolgenden Einzelbildern festgehalten und den Zuschauern als spannender Film präsentiert. Immer weiter wurde die Technik vorangetrieben, um Bilder in immer kürzerem Zeitabstand aufzunehmen. Wissenschaftler aus Berlin und Münster präsentieren jetzt ein Verfahren, das den mit Abstand schnellsten Film der Welt ermöglicht.

Wie sie online im Fachjournal „Nature Photonics“ berichten, haben sie zwei Aufnahmen gemacht, die gerade 50 Femtosekunden auseinanderliegen. Eine Femtosekunde ist der billiardste Teil einer Sekunde. In Dezimalschreibweise liest sich der Zeitabstand so: 0,00000000000005 Sekunden.

Fürs Fernsehen ist die Technik aber nicht gedacht. Sie soll besonders kleine Objekte aufnehmen und könnte vielleicht einmal Veränderungen in Molekülen oder das Umschalten einzelner Bits in Elektronikbauteilen zeigen, sagt der Projektleiter Stefan Eisebitt. Statt sichtbaren Lichts setzen die Forscher der TU Berlin sowie des Helmholtz-Zentrums Berlin auf Röntgenstrahlen. Schon heute werden winzige Materialstrukturen mithilfe von Röntgenblitzen sichtbar gemacht. Um Veränderungen zu studieren, sind jedoch Vorher-Nachher-Aufnahmen nötig. Solche Vorgänge dauern in der Nanowelt normalerweise einige Femtosekunden. „Das ist viel zu kurz, um zwischen den Aufnahmen den Film oder den Detektor zu wechseln“, erläutert der TU-Forscher Eisebitt. Die Wissenschaftler haben sich deshalb einen besonderen Aufbau überlegt, den sie am Röntgenlaser „Flash“ am Hamburger Forschungszentrum Desy testeten.

Um zwei dicht aufeinanderfolgende Röntgenblitze zu erhalten, lassen sie einen Spiegel zur Hälfte in den Weg des fünf Millimeter dicken Strahls ragen, damit dieser geteilt wird. Die eine Hälfte jagt ungehindert weiter, die zweite macht einen kleinen Umweg über insgesamt vier Spiegel, um die Probe jene 50 Femtosekunden später zu erreichen als der erste „halbe“ Blitz. „In dieser Zeit legt Licht gerade einmal eine Strecke von 15 Tausendstelmillimeter zurück, das ist weniger als die Dicke eines Haares“, macht Eisebitt deutlich.

Die Probe selbst ist im Experiment eine Metallfolie, in die das Brandenburger Tor geätzt wurde, welches unverändert zweimal hintereinander abgelichtet wurde. „Wenn man so will, haben wir den schnellsten Film der Welt gedreht, aber auch den langweiligsten“, scherzt der Physiker. „Wir wollten ja lediglich unser Konzept demonstrieren, wie man schnelle Bildserien in der Nanowelt machen kann.“ Dazu ist es ebenfalls nötig, die einzelnen Bilder zu speichern. Die Forscher nutzen dafür einen CCD-Chip, wie er auch in Digitalkameras eingesetzt wird. Ihr Chip ist allerdings für das Erfassen von Röntgenstrahlung optimiert. Normalerweise würden bei diesem Aufbau zwei Bilder aufgenommen, die zu einem unscharfen überlagert werden. Die Wissenschaftler nutzen deshalb die Technik der Röntgen-Holografie. Sie erlaubt es, zwei Bilder gleichzeitig aufzunehmen. Mithilfe komplexer Formeln kann ein Computer aus den zunächst verwirrenden Intensitäten der Röntgenstrahlen an den einzelnen Bildpunkten die zwei Originalbilder rekonstruieren.

„Bisher haben wir weiche Röntgenstrahlung mit relativ großer Wellenlänge genutzt“, fügt Eisebitt hinzu. „In Zukunft wollen wir Strahlung mit kürzerer Wellenlänge einsetzen, denn damit lassen sich noch kleinere Strukturen erfassen.“ Denkbar wären etwa Ribosomen, die in den Zellen die Erbgutsequenz ablesen, Grippeviren oder einzelne Bits einer Festplatte. Wenn es gelingt, kurzfristige Änderungen im Bild festzuhalten, könnten Wissenschaftler mehr darüber lernen, wie solche Nano-Objekte funktionieren.

„Abendfüllende Molekularfilme“, die aus zig Einzelaufnahmen bestehen, wird es aber kaum geben. Es werde vorerst bei zwei Bildern bleiben, sagt der Physiker. „Die Hologrammtechnik erlaubt durchaus zehn Aufnahmen und mehr, die Schwachstelle ist der Lichtblitz.“ Weil Röntgenstrahlen schlecht reflektiert werden, verliert der umgelenkte Strahl, der von vornherein nur die Hälfte der Energie hat, unterwegs noch einmal fast 50 Prozent seiner Intensität. Für mehrere Aufnahmen müsste dieser Strahl wieder und wieder geteilt werden, so dass bei dem Forschungsobjekt kaum noch Licht ankäme. Insgesamt mehr Power zu geben, ist jedoch nicht so einfach – der verwendete Röntgenlaser ist zusammen mit einem weiteren Laser in den USA der derzeit stärkste der Welt. Eisebitt: „In vielen Fällen genügt ein einfacher Vorher-Nachher-Vergleich. Weitere Bilder, die mit viel Aufwand anzufertigen wären, bringen nicht unbedingt einen so großen Zusatznutzen.“

Ralf Nestler