100-fache Effizienzsteigerung für die Photoionisation

Für ihre Experimente verwen­deten For­schende des Euro­pean XFEL und des Max-Planck-Instituts für Kern­physik (MPIK) in Heidel­berg sowie sechs weiterer Institu­tionen in Deutsch­land, Italien, Por­tu­gal und den Ver­einig­ten Staa­ten hoch gela­de­nes Krypton, Kr²⁶⁺, dem alle Elek­tronen bis auf zehn fehlen. „Dadurch konnten wir uns ein klares Bild von dem Pro­zess machen und uner­wünschte Ein­flüsse anderer Elek­tronen aus­schließen“, sagt Thomas Bau­mann, Opera­tions Leader an der Experi­mentier­station SQS, wo die Arbeiten durchge­führt wurden. Die Verwen­dung dieser Krypton­ionen war vor­teil­haft, da für beide Schritte der reso­nan­ten Anre­gung von zwei inneren Elek­tronen die erfor­der­liche Photonen­energie sehr ähnlich ist. So konnte ein ein­far­biger Röntgen­strahl mit einer Band­breite von nur 0,5 % ver­wendet werden.

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„Diese Überlappung der Resonanz­energie hat ihren Ursprung in relati­visti­schen Effekten“, erklärt Moto Togawa. „Sie führen zu einer Ver­schie­bung der Energie­niveaus der inneren Elek­tro­nen, was eine perfekte Doppel­resonanz ermög­licht.“ Nach wenigen Femto­sekunden zerfällt der doppelt angeregte Zustand durch Elektronen­emission und erzeugt einen höheren Ladungs­zustand. Im Ver­gleich zur einfachen Photo­ioni­sation führt die doppelt reso­nante Methode zu einer mehr als 100-fach höheren Pho­tonen­absorp­tion – was die Effi­zienz erheb­lich steigert.

Laut José Crespo López-Urrutia, Gruppen­leiter am MPIK, „vertieft dieser Effekt nicht nur unser Ver­ständ­nis davon, wie Licht und Mate­rie unter extremen Beding­ungen inter­agieren, sondern eröff­net auch neue Mög­lich­keiten für hoch­präzise Röntgen­mes­sungen.“ Die For­schenden glauben, dass ihre Ergeb­nisse als effi­zientes Anregungs­schema für zukünftige zeitaufgelöste Experimente unter Verwendung des Zwei­farben­modus des SASE3-Undu­lators am Euro­pean XFEL anwendbar sind. Darüber hinaus wäre eine Erwei­terung auf Experi­mente mit harter Röntgen­strahlung unter Verwen­dung von XFELOs (X-ray Free-Electron Laser Oscil­lators), wie sie am Euro­pean XFEL ent­wickelt werden, denk­bar. [EuXFEL / MPIK / dre]