ERC-Projekt „AXSIS: Frontiers in Attosecond Röntgen-Wissenschaft: Imaging und Spektroskopie“

ERC-Projekt „AXSIS: Frontiers in Attosecond Röntgen-Wissenschaft: Imaging und Spektroskopie“

Um das Funktionieren von Makromolekülen zu erkennen – die molekulare Maschinerie, die die Prozesses des Lebens antreibt – ist eine ganz besondere Art von Mikroskop erforderlich, eine, die Atome auflösen und Bilder mit einer extrem hohen Geschwindigkeit aufnehmen kann. 

Professor Henry Chapman, einer der Gründungsdirektoren am Center for Free-Electron Laser Science, ist seit langem daran interessiert, ein solches Mikroskop zu entwickeln. 

Die Struktur der Moleküle ist zu fein, um mit sichtbarem Licht erkannt zu werden. Man braucht dafür Röntgenstrahlen mit Wellenlängen, die den Abständen von Atomen ähnlich sind. Allerdings haben wir keine Linsen, um das Röntgenlicht nach Bedarf für ein Mikroskop zu biegen. Stattdessen hat Henry Chapman Wege gefunden, um Bilder aus dem Röntgenlicht zu gewinnen, das vom Objekt streut. Er hat diese Form der „linsenfreien“ Bildgebung angewendet, um Objekte wie z. B. Rußpartikel, AerogelNetzwerke, Einzelviren und in - jüngster Zeit - Moleküle des Photosystems II  zu betrachten, einem der makromolekularen Komplexe, die an der Photosynthese beteiligt sind.

Henrys Chapmans Interesse an der Röntgenbildgebung begann mit seiner Dissertation in Röntgenoptik an der University of Melbourne, Australien, für die er die Bragg Goldmedaille vom Australian Institute of Physics erhielt. Während seiner Zeit als

PostDoc an der Stony Brook University in New York begann er, die linsenfreie Röntgenbildgebung mittels Strahlung von großen Röntgenbeschleunigeranlagen zu erforschen. Später, als Gruppenleiter am Lawrence Livermore National Laboratory in Kalifornien, zeigte er mit seinem Team, dass intensive Röntgenlaserpulse (die zum Beispiel am Europäischen XFEL verfügbar sein werden) zu makellosen Beugungsmustern von Objekten führen, bevor sie durch diesen Puls zerstört werden. Dies löste ein seit langem bestehendes Problem in der Röntgenstrukturbestimmung durch die Erhöhung der tolerierbaren Dosis für hochauflösende Bildgebung und Kristallographie um ein Vieltausendfaches, was zu klareren Bildern führte und der Fähigkeit, Proben zu untersuchen, die so klein sind wie ein einzelnes Molekül.

Henry Chapman plant, diese Arbeit im gemeinsamen ERC-Projekt „AXSIS: Frontiers in Attosecond Röntgen-Wissenschaft: Imaging und Spektroskopie“ fortzusetzen und zu erweitern. Pulse im Attosekunden-Bereich werden es uns ermöglichen, Bilder mit noch klareren Details zu sammeln und die ersten Schritte bei der Photosynthese nachzuvollziehen, ab dem Punkt, an dem das Photon von einem Molekül absorbiert wird.

Der neue Bereich und die kompakte Natur der AXSIS Quelle werden neue Möglichkeiten eröffnen, Reaktionen in einem weiten Spektrum molekularer Maschinen zu verfolgen.

Professor Dr. Henry Chapman ist Leiter der Coherent Imaging Gruppe am Center for Free-Electron Laser Science – CFEL des Deutschen Elektronen-Synchrotron – DESY, The Hamburg Center for Ultrafast Imaging – CUI, Fachbereich Physik, Universität Hamburg.