Leistungsstarke Laserblitze

Forscher aus Würzburg, Wien und München gelang es, die Strahlintensität von ultrakurzen Röntgenpulsen zu erhöhen.

Viele Physiker, Chemiker, Biologen und Materialwissenschaftler träumen davon, das Verhalten von Atomen und Elektronen direkt beobachten zu können. Das allerdings geht nur mithilfe extrem kurzer Röntgenblitze. Über Fortschritte auf diesem Gebiet berichten Physiker von der Universität Würzburg gemeinsam mit Kollegen aus Wien und München in der Zeitschrift „Nature Physics“.

Den Blick durchs Lichtmikroskop auf die Zellen einer Zwiebel dürfte jeder Schüler kennen. Will er aber tiefer in den Mikrokosmos eindringen, dann reicht das sichtbare Licht nicht aus, um die winzigen Strukturen abbilden zu können. Die Position von Atomen etwa lässt sich nur mit Röntgenstrahlung bestimmen. Will man dann auch noch die Bewegungen der Atome erkennen, ist gepulste Röntgenstrahlung erforderlich, also eine Abfolge von Röntgenblitzen. „Die Pulsdauer entspricht der Belichtungszeit einer Kamera. Sie muss so kurz sein, dass sich in dieser Zeit die Atome nicht substanziell bewegen, sonst wird das Bild unscharf“, erklärt Christian Spielmann vom Physikalischen Institut der Uni Würzburg. Allerdings spricht er hier nicht über typische Kamera-Belichtungen im Bereich von Tausendstel Sekunden. Vielmehr meint er billionstel bis billiardstel Sekunden bzw. Femto- bis Attosekunden.

Zur Erzeugung derart kurzer Röntgenpulse verfolgt die Forschung zwei Strategien. Beim Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY, einer Großforschungseinrichtung in Hamburg, wird hierfür ein Röntgenlaser entwickelt. Die Münchener, Wiener und Würzburger Physiker dagegen verfolgen einen anderen Ansatz, der sich ohne weiteres in einem Universitätslabor realisieren lässt. An der Technischen Universität Wien lenken sie in einer Vakuumkammer Laserblitze durch Röhrchen, die mit konzentriertem Helium gefüllt sind. „Dabei entstehen die kürzesten Röntgenpulse, die zurzeit überhaupt hergestellt werden können. Sie dauern nur wenige hundert Attosekunden“, sagt Spielmann.

Abb.: Blick in die Vakuumkammer: Von oben ragt ein mit Helium gefülltes Röhrchen in den Raum. Wird es von einem Laserblitz (violett) durchquert, entstehen dabei extrem kurze Röntgenpulse. (Foto: József Seres)

„Leider ist dieses Verfahren nicht sehr effizient: Wenn Sie ein Watt Laserleistung hineinschicken, bekommen sie weniger als ein millionstel Watt Röntgenleistung heraus“, bedauert der Physiker. Gemeinsam mit dem Forscherehepaar Enikö und József Seres von der Uni Würzburg und seinen Münchener und Wiener Kollegen beschreibt er nun in Nature Physics einen neuen Ansatz zur Erhöhung der Röntgenstrahlintensität. Dabei werden die Laserblitze nicht nur durch ein einziges Gasröhrchen geschickt, sondern durch zwei. Der Clou daran: Dadurch verdoppelt sich die Ausbeute an Röntgenintensität nicht nur, sondern ist gleich bis zu vier Mal so hoch.

Eine wundersame Mehrung? „Wir erklären das durch die kohärente Überlagerung der beiden Signale“, so Spielmann. Dieses Phänomen sei für den Bereich des sichtbaren Lichtes seit Langem bekannt. Bislang nahmen die Wissenschaftler an, dass es zur Steigerung der Effizienz von Röntgenstrahlung nicht vernünftig zu realisieren sei. Doch da haben sie sich offenbar getäuscht. Der Schlüssel zum Gelingen liegt den Forschern zufolge im Einsatz sehr intensiver und sehr kurzer Laserpulse. Sie beschreiben nun auch, welcher Druck im Helium herrschen muss und in welchem Abstand voneinander sich die Gasröhrchen befinden müssen, damit der Überhöhungseffekt eintritt.

Jetzt denken sie daran, die Zahl der Gasröhrchen weiter zu erhöhen und damit den Laserpulsen noch mehr Röntgenintensität abzuringen. Mit dieser verbesserten Methodik hoffen sie dann „auf anspruchsvollere Untersuchungen“ zur direkten Beobachtung von Atomen – denn bislang konnten sie „nur“ abbilden, wie Silizium-Atome anfangen zu schwingen, wenn sie erwärmt werden. Langfristig aber streben die Physiker nach Höherem – etwa in Echtzeit zu beobachten, wie große Moleküle ihre Form ändern, wenn sie mit anderen Molekülen eine Bindung eingehen.

Quelle: Uni Würzburg

Weiter Infos:

• Originalveröffentlichung:
  J. Seres, V. S. Yakovlev, E. Seres, Ch. Streli, P. Wobrauschek, Ch. Spielmann & F. Krausz, Coherent superposition of laser-driven soft-X-ray harmonics from successive sources, Nature Physics, online (11. November 2007).
  http://dx.doi.org/10.1038/nphys775
• Institut für Photonik, Technische Universität Wien:
  http://info.tuwien.ac.at/photonik/
• Physikalisches Institut EP1, Universität Würzburg:
  http://wep1101.physik.uni-wuerzburg.de
• Department für Physik, Ludwig-Maximilians-Universität München:
  http://www.physik.uni-muenchen.de
• Atominstitut der Österreichischen Universtitäten, Technische Universität Wien:
  http://www.ati.ac.at
• Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Garching:
  http://www.mpq.mpg.de