Doppelspalt-Röntgenexperiment enthüllt verborgene Details

Auslöser von Lichtbrechung ist eine Wechselwirkung zwischen dem Licht und den Atomen der Materie. Durch sie geraten die Lichtwellen sozusagen ein wenig aus dem Takt. Auch „Röntgenlicht“ wird „gebrochen“. Hier ist der Effekt jedoch schwer zu messen. Ein Miniatur-Messgerät verschafft nun ganz neuen Zugang: Forschende der Universitäten Göttingen und Hamburg haben mit Partnern das wohl weltweit kleinste Röntgen-Interferometer gebaut. Damit konnten sie die Brechung von auf wenige Nanometer begrenzten Röntgenstrahlen erstmals genau vermessen und daraus schließen, wie diese mit Atomkernen interagieren.

Vorgänge im Röntgen-Inter­fe­ro­meter: Der Pfad ei­nes ein­zel­nen Pho­tons (pink) durch­quert zwei Spal­te gleich­zei­tig und fä­chert sich da­hin­ter in ein cha­rak­te­ris­ti­sches In­ter­fe­renz­mus­ter auf. Aus die­sem wird die Stär­ke der Licht­bre­chung durch die Eisen-Atome (rot) be­stimmt, die sich in einem der bei­den Spal­te be­fin­den.

Quelle: Markus Osterhoff, GAU Göttingen

Das neue Röntgen-Interferometer nutzt das Prinzip des berühmten Doppelspalt-Experiments, das laut dem Nobelpreisträger Richard Feynman das „Herz der Quantenmechanik“ in sich trägt. „Unser Röntgen-Interferometer ist wohl das kleinste Interferometer der Welt: Die beiden Spalte liegen nur 50 Nanometer auseinander; das entspricht etwa einem Tausendstel der Dicke eines menschlichen Haares“, sagt Erstautor Leon Lohse, der die Studie an der Universität Hamburg erarbeitet hat und inzwischen an der Universität Göttingen forscht. Die Forschenden experimentierten damit an der Europäischen Synchrotronstrahlungsquelle ESRF im französischen Grenoble.

In einen Spalt brachten sie Atome des Eisen-Isotops ⁵⁷Fe ein. „Das faszinierende ist: Wir haben das Experiment größtenteils mit einzelnen Photonen der Röntgenstrahlung durchgeführt“, so Lohse. Jedes dieser „Lichtteilchen“ durchquert gleichzeitig beide Spalte. In einem Spalt interagiert das Photon mit den Atomkernen des Eisen-Isotops. Hinter den Spalten erzeugt es dann charakteristische Muster, aus denen die Stärke der Lichtbrechung bestimmt wird. Daraus konnten die Forschenden auf die Wechselwirkung zwischen den Röntgen-Photonen und Eisen-Atomen schließen.

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Klassisches Doppelspalt-Experiment in neuem Licht

Joachim Ullrich • 9/2021 • Seite 35

Erkenntnisreiche Zerstörung

Interferometer für Röntgenstrahlung zu bauen, ist herausfordernd. Sie müssen besonders präzise sein: „Röntgen-Lichtwellen“ werden schwächer „gebrochen“ und sind extrem kurz – etwa Tausendmal kürzer als die des sichtbaren Lichts und kürzer als der typische Abstand zwischen Atomen in Materie. Gleichzeitig ist ihre Brechung hoch relevant. Mit ihr erzeugt etwa die Röntgen-Phasenkontrast-Bildgebung detailreiche 3D-Bilder von biologischen Proben, ohne sie zu beschädigen. In ihr sind außerdem genaue Informationen über die in Materie enthaltenen Atome und deren Anordnung verborgen. Diese waren für Forschende bisher schwer zugänglich.

„Unser Experiment eröffnet zahlreiche Perspektiven“, erklärt Tim Salditt, Professor an der Uni Göttingen. „Es demonstriert, wie Lichtbrechung Informationen liefert, die aus der sonst gemessenen Abschwächung des Lichts nicht her­vor­ge­hen – insbesondere im Zusammenhang mit atomaren Resonanzen.“ Außerdem liefere es eine Grundlage, um den Brechungsindex unterschiedlicher Elemente für Röntgenstrahlung systematisch und präzise zu vermessen. In Zukunft sind für das Team auch integrierte optische Schaltkreise für Röntgenstrahlung denkbar. [GAU / dre]