29.01.2026

SwissFEL enthüllt, wie Elektronen zusammenspielen

Die Röntgen-Vierwellenmischung eröffnet neue Wege, um den Fluss von Energie und Informationen in Atomen und Molekülen zu beobachten.

Wie sich Materie verhält, lässt sich größtenteils nicht auf das Verhalten einzelner Elektronen zurückführen, sondern vielmehr darauf, wie sie sich gegenseitig beeinflussen. Von chemischen Systemen bis hin zu hoch entwickelten Materialien – die Wechselwirkung zwischen den Elektronen bestimmt, wie sich Moleküle neu anordnen, wie Materialien leiten oder isolieren und wie Energie transportiert wird.

In vielen Quantensystemen – nicht zuletzt in der Quanteninformatik – werden Informationen in empfindlichen Mustern solcher Wechselwirkungen gespeichert, in Kohärenzen. Gehen diese verloren, verschwinden auch die Informationen – ein Vorgang, der als Dekohärenz bezeichnet wird. Solche kurzlebigen Zustände zu verstehen und letztendlich kontrollieren zu können, gehört zu den größten Herausforderungen der heutigen Quantentechnologie.

Künstlerische Darstellung der Röntgen-Vierwellenmischung – ein Verfahren, das zeigt, wie Elektronen miteinander oder mit ihrer Umgebung wechselwirken. © Noah Wach

Gregor Knopp und Ana Sofia Morillo Candas in der Experimentierstation Maloja des SwissFEL. © Paul Scherrer Institut PSI/Mahir Dzambegovic

Zwar gibt es viele Techniken, mit denen sich das Verhalten einzelner Elektronen untersuchen lässt, doch für diese Kohärenzen blieb man bislang weitgehend blind. Forschende des Paul Scherrer Instituts PSI und der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne (EPFL) haben nun gemeinsam mit dem Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK) und der Universität Bern am SwissFEL ein Verfahren entwickelt, das als Röntgen-Vierwellenmischung bezeichnet wird.

„Wir erfahren, wie die Elektronen miteinander tanzen – ob sie sich an den Händen halten oder ob sie alleine tanzen“, sagt Gregor Knopp, Senior Scientist am Zentrum für Photonenforschung des Paul Scherrer Instituts und Leiter der Studie. „Das eröffnet neue Einblicke in Quantenphänomene und kann unser Verständnis der Materie verändern.“

Vom Konzept her ähnelt die Röntgen-Vierwellenmischung der Kernspinresonanz (NMR), die heute routinemässig in Krankenhäusern für MRT-Untersuchungen eingesetzt wird. Beide Verfahren nutzen mehrere Pulse, um Kohärenzen in Materie zu erzeugen und anschließend wieder auszulesen.

Die Vierwellenmischung von infrarotem und sichtbarem Licht hat sich ebenfalls bereits gut etabliert. Sie erlaubt es Forschenden zu untersuchen, wie sich Moleküle bewegen, wie sie schwingen und miteinander interagieren – mögliche Anwendungen reichen von der optischen Kommunikation bis hin zur Abbildung biologischer Proben.

Dieser leistungsfähige Ansatz lässt sich durch Röntgenlicht auf einen kleineren Maßstab übertragen und ermöglicht es, direkt in die Welt der Elektronen vorzudringen. „Andere Verfahren bieten Aufschluss darüber, wie Atome oder Moleküle insgesamt miteinander oder mit ihrer Umgebung interagieren. Mit Röntgenlicht können wir dagegen bis zu den Elektronen heranzoomen“, sagt Ana Sofia Morillo Candas, Erstautorin der Studie.

Bei der Vierwellenmischung wirken drei eintreffende Lichtwellen auf Materie ein und erzeugen dadurch eine vierte Welle. „Um eine Vierwellenmischung zu erreichen, muss man im Allgemeinen verschiedene Lichtstrahlen teilen, verzögern und wieder zusammenführen“, erklärt Morillo Candas. „Bei Röntgenstrahlen ist das schwierig, weil sie eine so kurze Wellenlänge haben – man muss unglaublich genau arbeiten.“ Vereinfacht ausgedrückt lässt sich die Manipulation der drei Röntgenstrahlen mit dem Versuch vergleichen, drei Dartpfeile aus einem Kilometer Entfernung zu werfen, sodass sie innerhalb weniger Nanometer zueinander auf die Dartscheibe treffen.

Diese Präzision allein reicht allerdings nicht aus. Das erzeugte Röntgen-Vierwellenmischsignal ist außerdem extrem schwach. Um es überhaupt sehen zu können, sind extrem helle und ultrakurze Röntgenlichtblitze erforderlich – diese können nur große Freie-Elektronen-Röntgenlaseranlagen wie der SwissFEL liefern.

Der Erfolg ist einem Trick zu verdanken, der Experimenten mit konventionellem Laserlicht statt Röntgenstrahlen abgeschaut wurde: eine Aluminiumplatte mit vier winzigen Löchern. Das Röntgenlicht passiert drei dieser Löcher und – wenn das Experiment erfolgreich ist – erscheint an dem vierten Loch ein neues Röntgensignal.

„Vom Konzept her ist das eine einfache Lösung“, sagt Knopp, der sich mit optischem Laserlicht auskennt. „Wenn man diese Experimente mit infrarotem oder sichtbarem Licht durchführt, macht man es so.“ Dieser Ansatz unterscheidet sich stark von früheren Bemühungen, eine Röntgen-Vierwellenmischung zu erreichen, erschien Knopp aber eine naheliegende Lösung. „Wir waren erstaunt, als wir sahen, wie stark das Signal war“, fügt er hinzu.

Diese erste erfolgreiche Demonstration der Röntgen-Vierwellenmischung wurde in einem Edelgas, Neon, erreicht. Dieses System wird vergleichsweise gut verstanden und weist keine komplizierten Wechselwirkungen zwischen den Elektronen auf. Daher bietet es ideale Voraussetzungen, um das schwer fassbare Vierwellenmischungssignal zu erkennen. Nachdem die Machbarkeit bewiesen wurde, können sich die Forschenden nun komplexeren Systemen widmen. [PSI / dre]

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