Ultrakurze Röntgenpulse

Ultrakurze Röntgenpulse

Erstmals gelang es mit einem kompakten Gerät, laserähnliche Röntgenstrahlen zu erzeugen. Außergewöhnliche Anwendungen sind denkbar.

Das erste kompakte Gerät, das einen laserartigen Röntgenstrahl für eine Wellenlänge von einem Nanometer erzeugt, haben Physiker vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching unter der Leitung von Ferenc Krausz in Zusammenarbeit mit Kollegen der Technischen Universität Wien und der Universitäten Würzburg und München entwickelt. Damit sind sie dem Traum vieler Radiologen und Biologen von einer kompakten "Lichtquelle", die ultrakurz gepulste Röntgenstrahlen in einer Richtung wie Laserlicht aussendet, ein Stück näher gekommen. Die Wissenschaftler sind sich sicher, dass eine solche Quelle es in Zukunft ermöglichen wird, Röntgenbilder mit weit höherer Auflösung bei gleichzeitig stark gegenüber der heutigen Bilderstellung reduzierter Strahlendosis zu erzeugen. Für die Krebsfrüherkennung würde das eine dramatische Reduktion des Risikos bedeuten. Mit einer solchen Strahlenquelle ausgestattete Mikroskope würden es ermöglichen, Biomoleküle in ihrer natürlichen Umgebung mit einer Auflösung im Nanometerbereich zu analysieren.

Das deutsch-österreichische Forscherteam fokussierte eine Sequenz von intensiven ultrakurzen Blitzen von rotem Licht auf Heliumgas, um 700-Nanometer Laserlicht in 1-Nanometer Röntgenlicht umzuwandeln, das von den angeregten He-Atomen ausgestrahlt wird. Das hochintensive Laserfeld bewirkt gigantische Oszillationen der negativ geladenen Elektronenwolke um den positiv geladenen Atomkern und verwandelt dadurch die Atome zu Antennen. Wegen der sehr großen Amplituden ihrer Schwingungen, strahlen die Atome nicht nur mit der Wellenlänge des antreibenden Lasers (700 Nanometer) sondern auch mit kürzeren Wellenlängen. Da die Antennen im Gleichtakt durch das Laserfeld angesteuert werden, wird der Zeittakt auch beim Abstrahlen der Wellen beibehalten. Die winzigen "atomaren" Wellen sind zwar außerordentlich schwach, aber sie addieren sich, da sie alle im Takt schwingen. Damit entsteht eine Röntgenwelle von signifikanter Intensität, die in einem gerichteten Strahl parallel zum einfallenden Laserlicht ausgesandt wird.

Abb.: Das violette Licht entsteht aus Heliumatomen, die durch intensives Laserlicht angeregt werden. Der Laserpuls breitet sich entlang der Achse des violetten Flügels (horizontal) durch das Heliumgas aus. Den gleichen Weg nimmt der nicht sichtbare Röntgenstrahl gebündelt in einem Durchmesser von nur einigen hundert Mikrometern. (Quelle: J. Seres, Technische Universität Wien

Das oben beschriebene Phänomen ist nicht neu. Es handelt sich dabei um eine Standard-Technik für die routinemäßige Erzeugung laserähnlicher ultravioletter Strahlung für einen Wellenlängenbereich von 100 Nanometer bis unterhalb von 10 Nanometer. Es wird jedoch immer schwerer, die Grenzen dieser Technologie zu kürzeren Wellenlängen hin zu verschieben, da durch das starke Laserfeld mehr und mehr Elektronen aus den Atomen gerissen werden, die dann den Aufbau einer intensiven Welle aus schwachen "atomaren" Wellen behindern.

Die Arbeitsgruppen haben diese Probleme jetzt gelöst, indem sie die Atome mit den weltweit kürzesten hochintensiven Laserpulsen bestrahlten. Die Pulsdauer betrug nur noch fünf millionstel einer milliardstel Sekunde (= fünf Femtosekunden). Diese Pulse treffen die Atome so abrupt, dass Elektronen vor dem Aussenden der Röntgenstrahlen nicht aus den Atomen gerissen werden können. Dank dieser extrem kurzen Wechselwirkungszeit schafften es die Forscher nicht nur die Nanometerbarriere zu durchstoßen, ihre Röntgenstrahlenquelle dürfte auch erstmalig Röntgenpulse mit einer Pulsdauer von kürzer als 0,1 Femtosekunden (= 100 Attosekunden) realisieren. Der von der neuen Quelle gelieferte Röntgenstrahl ist gegenwärtig noch zu schwach für praktische Anwendungen. Aber die Forscher sind überzeugt, dass technische Verbesserungen die Leistung der Röntgenstrahlen um einige Größenordnungen erhöhen werden. Wenn dieses Kunststück gelungen ist, sind sich die Forscher sicher, dass das neue "Werkzeug" völlig neue Möglichkeiten auf verschiedenen Gebieten der Physik, Biologie und Materialwissenschaften bieten wird.

Quelle: MPG \[TN\]

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  J. Seres, E. Seres, A.J. Verhoef, G. Tempea, C. Streli, P. Wobrauschek, V. Yakovlev, A. Scrinzi, C. Spielmann, F. Krausz, Source of coherent kiloelectronvolt X-rays, Nature 433, 596 (2005).
  http://dx.doi.org/10.1038/433596a 
• Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V.:
  http://www.mpg.de 
• Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Garching:
  http://www.mpq.mpg.de 
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