100-fache Effizienzsteigerung für die Photoionisation
Röntgenimpulse des European XFEL für doppelt resonante Ionisierung von Krypton genutzt.
Auf die Geschwindigkeit kommt es an. Wenn ein Röntgenphoton ein Atom oder Ion anregt und ein inneres Elektron auf ein höheres Energieniveau springt, öffnet sich ein kurzlebiges Zeitfenster. Nur für wenige Femtosekunden, bevor ein Elektron die Lücke im niedrigeren Energieniveau füllt, hat ein zweites Photon die Chance, von einem anderen inneren Elektron absorbiert zu werden, wodurch ein doppelt angeregter Zustand entsteht. Mit fünftausend intensiven Röntgenblitzen pro Sekunde, die vom European XFEL erzeugt wurden, hat ein internationales Team von Wissenschaftler:innen solche doppelt angeregten Zustände in hochionisiertem Krypton untersucht, wobei Photonen verwendet wurden, die alle nahezu die gleiche Energie oder Farbe hatten.
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]
Weitere Informationen
- Originalveröffentlichung
M. Togawa et al., Enhanced One-Color-Two-Photon Resonant Ionization in Highly Charged Ions by Fine-Structure Effects,Phys. Rev. Lett. 135, 223003, 25. November 2025; DOI: 10.1103/mhks-ktxw - The SQS (Small Quantum Systems) instrument, European XFEL, Schenefeld
- Dynamik hochgeladener Ionen (AG Crespo), Abt. Quantendynamik und -kontrolle, Max-Planck-Institut für Kernphysik Heidelberg
- Ionic Quantum Dynamics and High-Precision Theory (Zoltán Harman), Abt. Theoretische Quantendynamik und Quantenelektrodynamik, Max-Planck-Institut für Kernphysik Heidelberg
Anbieter
European X-Ray Free-Electron Laser Facility GmbHHolzkoppel 4
22869 Schenefeld
Deutschland
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