Photonen mit Bahndrehimpuls am BESSY erzeugt
Existenz theoretisch vorhergesagter singulärer Strahlen aus helikalen Undulatoren nachgewiesen.
Unter normalen Betriebsbedingungen der Synchrotronstrahlungsquelle BESSY-II ist die Elektronenstrahlemittanz – das Phasenraumvolumen der Elektronenpakete – zu groß, um die singuläre Phasenstruktur von OAM-Photonen beobachten zu können. Die Emittanz skaliert jedoch quadratisch mit der Energie: Bei zirka 900 MeV (die Energie einer alten PTB-Optik am BESSY-II) beträgt sie deshalb nur noch ein Viertel. Ein Team um Johannes Bahrdt hat deshalb an einem Messtag im Januar 2013 die Maschine mit gespeichertem Strahl heruntergefahren und die Energie der gespeicherten Elektronen von 1,72 GeV auf 917 MeV abgesenkt. „Bei dieser Prozedur mussten wir alle Speicherringmagnete synchron mitfahren, um die Elektronenverluste zu minimieren“, sagt Bahrdt, „denn ein Nachinjizieren bei 917 MeV war nicht möglich.“
Abb.: Die Abbildung demonstriert die exzellente Übereinstimmung zwischen Messung (links) und Rechnung mit dem HZB-Code WAVE (rechts; Bild: J. Bahrdt, HZB)
Bei dem Experiment betrug der Strahlstrom nur noch 1 mA bei 8 Stunden Lebensdauer. Der Nachweis der singulären Strahlen erfolgte über ein Interferenzexperiment am Undulator UE56-2. Das erste Modul des Doppelundulators (helikale Polarisation) produzierte die OAM-Photonen, während der zweite Undulator (lineare Polarisation) als Referenzquelle diente. Die räumliche Verteilung der beiden transversal überlagerten Photonenstrahlen wurde mit einem Pinhole vor dem ersten optischen Element abgetastet. Die longitudinale Überlagerung und damit die Interferenz der beiden zunächst räumlich getrennten Lichtpakte erfolgte erst hinter dem Monochromator. Für die direkte Detektion der singulären Phasenverteilung wäre ein komplizierter Wavefront Sensor notwendig gewesen. Das Interferenzexperiment hingegen erzeugt eine aufgrund der Phasenverteilung charakteristische Intensitätsverteilung, die sich mit einer einfachen Photodiode nachweisen lässt. Das Nachweispattern ist eine Spirale. Der Drehsinn der Spirale spiegelt die Helizität der 1. Harmonischen des helikalen Unulators wieder; die Orientierung wird bestimmt durch den Phasenvorschub zwischen den beiden Undulatoren.
Nur in gemeinsamer Anstrengung von Mitarbeitern verschiedener Abteilungen war dieses „proof of principle“-Experiment möglich, weil es außergewöhnliche Maschinenbedingungen erforderte. Photonen mit Bahndrehimpuls werden in Lichtquellen der nächsten Generation, also Energy Recovery Linacs, Ultimate Storage Rings oder Freie Elektronen Lasern, unter ganz normalen Betriebsbedingungen zur Verfügung stehen. Der zusätzliche Freiheitsgrad wird die Entwicklung neuartiger spektroskopischer Experimente anstoßen, die an jetzigen Quellen noch nicht möglich sind.
HZB / CT
