Das Billiardstel einer Sekunde

Die neue Terahertz-Quelle in der ELBE - Zentrum für Hochleistungs-Strahlenquellen des HZDR

Datenanalyse für die Femtowelt

Viele technologische Prozesse bspw. der Energie- und Datenspeicherung verlaufen schnell – sie müssten sich eine Billiarde Mal wiederholen, bis eine Sekunde vergangen ist. Wissenschaftler bezeichnen die Untersuchung dieser Vorgänge als Femtosekunden-Physik. Wie die ultraschnellen Abläufe mittels präziser Messungen und Datenanalyse genauer als bisher untersucht werden können, zeigen Forscher des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) gemeinsam mit deutschen und internationalen Kollegen.

Wichtige Vorgänge in den Material- und Lebenswissenschaften können heute aufgenommen werden, um sie besser zu verstehen. Die relevanten Zeitskalen sind oft Billiardstel Bruchteile einer Sekunde – Femtosekunden. Zum Vergleich: Ein Lichtstrahl braucht für die rund 380.000 Kilometer von der Erde zum Mond etwa eine Sekunde. In einer Femtosekunde legt solch ein Lichtpaket nur eine Distanz zurück, die dem Durchmesser eines menschlichen Haares entspricht.

Forscher fotografieren bzw. filmen die Prozesse mit Lasern und Lichtquellen auf Beschleunigerbasis – Freie-Elektronen-Laser, die sehr kurze Lichtteilchen-Pulse erzeugen. Das kann prinzipiell auch die neue Forschungsanlage „TELBE“ am Elektronen-Beschleuniger ELBE des HZDR. Sie ist ein Prototyp für eine neue Generation von Lichtquellen, die starke Lichtpulse im Terahertz-Bereich mit besonders hoher Wiederholrate erzeugen.

Keine schlechten Daten mehr

Das Problem: Lichtintensität und Ankunftszeiten verfügbarer Strahlenquellen in Großforschungsanlagen wie dem ELBE-Zentrum für Hochleistungs-Strahlenquellen schwanken zu stark, um viele der erhofften Untersuchungen zu realisieren. Daher haben die beteiligten Wissenschaftler ein Verfahren entwickelt, um Intensität, Ankunftszeit und weitere Eigenschaften jedes einzelnen Pulses dieser Lichtquellen sehr präzise auszumessen. Die Messung erfolgt mit hochempfindlichen Monitoren. Die Aufzeichnungen über die ursprünglichen Messimpulse ordnen die Forscher dann den Experimentdaten zu.

Unregelmäßigkeiten in den Lichtteilchen-Paketen sind damit nicht mehr eine Störung des Experiments. Stattdessen liefern sie wertvolle Zusatzinformationen, z. B. über das Verhalten  der Proben unter unterschiedlichen Bestrahlungsstärken. Schlechte Daten gibt es somit nicht mehr – alle Messungen sind gleichermaßen wertvoll.

0,5 Petabyte Daten in zwei Wochen

Die Forscher nutzen neueste Computertechnik. Dabei entstehen enorm große Datenmengen und müssen verarbeitet werden. Binnen zwei Wochen Messzeit kann ein halbes Petabyte an Experimentaldaten zusammenkommen. Das entspricht etwa dem Inhalt von rund 55.000 DVDs.

Und das ist nur der Anfang: Das bisher verwendete Detektorsystem kann Wiederholraten bis zu 100 Kilohertz – 100.000 Messwerte pro Sekunde – verarbeiten. Kooperationspartner des HZDR arbeiten an einer Detektor-Sonderanfertigung, die 45-mal so schnell sein wird. Entsprechend stark wachsen die Mengen erzeugter Experimental-Rohdaten. Wie diese Daten ausgewertet, abgespeichert und verfügbar gemacht werden sollen, werden die Forscher nun klären.

Zudem könnte die Technik weiter konzentriert werden: Das im Rahmen des europäischen Projektverbunds EUCALL entwickelte Verfahren funktioniert momentan bis auf 30 Femtosekunden genau. Es kann aber prinzipiell noch verbessert werden, wie die Forscher in einer Studie beschreiben.

Bild © HZDR/F. Bierstedt: Prototyp-Anlage TELBE mit zwei parallel betriebenen Terahertz-Quellen: ein Diffraktionsstrahler (rechts) und eine Undulator-Quelle (mit orangefarbenen Kühlschläuchen).