Freie-Elektronen-Laser lässt Kupferatome strahlen

Freie-Elektronen-Laser – kurz XFEL –, die intensive gepulste Röntgen­strah­lung abgeben, ermöglichen die atomgenaue Untersuchung von Makro­mole­külen und Materialien. In einem XFEL durchlaufen Elektronen mit Energien von einigen keV einen von Magnetfeldern gebildeten Undulator, der sie zu kohärenter Emission von weicher oder harter Röntgenstrahlung bringt. Diese Strahlung ist dann Milliarden Mal intensiver als die von herkömmlichen Röntgenquellen wie Synchrotronen abgegebene Strahlung.

Mit dieser intensiven Röntgenstrahlung lässt sich das zur Erzeugung von Laserlicht eingesetzte optische Pumpen auf den Röntgenbereich übertragen. Beim optischen Pumpen werden Atome in einem Lasermedium durch intensive Belichtung in großer Zahl angeregt, sodass es zu einer Besetzungs­inversion kommt. Dann sind mehr Atome im oberen als im unteren Zustand des Laserübergangs. Macht nun ein angeregtes Atom den Übergang, so löst das dabei abgegebene Photon eine Lawine aus und die anderen angeregten Atome emittieren ebenfalls, sodass Laserstrahlung entsteht.

Die zum Erreichen der Besetzungsinversion nötige Intensität der Pump­strahlung wächst jedoch mit der vierten Potenz der Strahlungsfrequenz. Da die Röntgenstrahlung eine etwa tausendmal größere Frequenz hat als sichtbares Licht, braucht man beim Röntgenpumpen etwa 1015 Mal größere Intensitäten als beim optischen Pumpen. Solche gigantischen Intensitäten kann man nur mit einem XFEL erreichen.

Vor drei Jahren hatten Forscher am SLAC National Accelerator Laboratory in Stanford den Kα-Übergang von einfach ionisierten Neonatomen so stark mit weicher Röntgenstrahlung gepumpt, dass Besetzungsinversion auftrat. Die daraufhin abgegebene Laserstrahlung hatte eine Wellenlänge von 1,46 nm und eine Photonenenergie von 849 eV. Diesen Rekord haben jetzt Hitoki Yoneda von der University of Electro-Communications in Tokyo und seine japanischen Kollegen nun gebrochen. Sie haben mit Hilfe des Kα-Übergangs von Kupferatomen Laserstrahlung von 1,54 Å Wellenlänge und 8 keV Photonenenergie erzeugt.

Dazu haben sie die gepulste harte 9 keV-Röntgenstrahlung des XFEL am japanischen RIKEN SPring-8 Center auf eine hauchdünne Kupferfolie gebündelt. Den winzigen Brennfleck bewegten sie so über die Folie, dass diese keinen Schaden nahm. Die Strahlung regte in den Kupferatomen Elektronen aus dem 1s-Grundzustand über das 2p-Niveau hinaus an. Bei hinreichend großer Strahlungsintensität kam es lokal zur Besetzungs­inversion. Daraufhin fielen Elektronen aus dem 2p-Niveau in den unbesetzten Grundzustand, wobei sie Kα-Röntgenstrahlung abgaben.

Wurde die Intensität der abgegebenen Röntgenstrahlung gegen die Intensität der XFEL-Pumpstrahlung aufgetragen, so war deutlich zu erkennen, wie die Laser­tätigkeit einsetzte: Ab einer bestimmten Pumpintensität nahm die abgestrahlte Röntgenintensität rasant zu. Allerdings stieg dabei über­raschender­weise auch die Bandbreite auf über 20 eV an, was unerwünscht ist und bei herkömmlichen Lasern nicht auftritt.

Doch die Forscher konnten Abhilfe schaffen und die Bandbreite deutlich verringern, indem sie die Kupferfolie mit zweifarbiger Röntgenstrahlung anregten. Dazu wurde in einem Abschnitt des XFEL die 9 keV-Pumpstrahlung erzeugt, während in einem zweiten Abschnitt 8 keV-Strahlung entstand. Sie war auf den Kα-Übergang des Kupfers abgestimmt und impfte ihn gewisser­maßen. Durch die Photonen dieser 8 keV-Seed-Strahlung wurde die Laser­tätigkeit erleichtert. Sie setzte schon bei einer viel kleineren Pumpintensität ein. Die entstehende Röntgenlaserstrahlung war viel intensiver und hatte eine Bandbreite von nur 1,7 eV, was auch deutlich unter der Bandbreite des XFEL lag.

Yoneda und seine Kollegen haben gezeigt, dass man durch Pumpen und Impfen des Kα-Übergangs des Kupfers mit Hilfe eines XFEL harte Röntgen­laserstrahlung erzeugen kann, die frequenzstabil, schmalbandig und sehr intensiv ist. Dieses Verfahren wird der Materialanalyse und Struktur­be­stimmung von Makromolekülen mit Röntgenstrahlen neue Möglichkeiten eröffnen.

Rainer Scharf

RK