Attosekundenpulse heilen die Schäden, die sie verursachen
Wechselwirkung zwischen Röntgenstrahlen und Materie lässt sich aktiv steuern.
Einem internationalen Forschungsteam unter Leitung der Universität Hamburg und des SLAC National Accelerator Laboratory ist es gelungen, helle Röntgenbilder zu erzeugen, die mit wesentlich geringeren Schäden einhergehen. In ihrer Studie berichten die Forschenden über den Einsatz ultraschneller Pulse, die die verursachten Schäden teilweise rückgängig machen.
Radiolog:innen versuchen stets, die Strahlungsdosis bei Röntgenaufnahmen so niedrig wie möglich zu halten. Dabei müssen sie allerdings auch sicherstellen, dass das Bild hell genug ist und ausreichend Details für eine Diagnose abbildet. Dieses Kompromissprinzip prägt die Röntgenbildgebung seit Jahrzehnten.
Forschende, die chemische Reaktionen in einzelnen Molekülen und Nanopartikeln abbilden wollen, stehen vor einer weitaus extremeren Version desselben Problems. Um etwas so Kleines und Flüchtiges wie eine Reaktion in einem Cluster von Atomen einzufangen, müssen sie das Probenmaterial mit einer großen Anzahl von Röntgenphotonen in einem extrem kurzen Stoß bestrahlen. Die fortschrittlichsten Geräte dafür, Röntgen‑Freie-Elektronen-Laser (XFELs), erzeugen Blitze, die kurz genug sind, um der physikalischen Zerstörung der Probe „davonzulaufen“. Doch selbst diese kurzen Pulse reißen Elektronen aus den Atomen und verwandeln eine feste Struktur in eine Wolke aus Ionen und Elektronen, noch bevor ein nutzbares Bild aufgenommen werden kann. Dieses „elektronische Bleichen“ gilt seit langem als unvermeidliche Grenze für hochauflösende Röntgenbildgebung. Die gebleichte Probe wird für Röntgenstrahlen durchlässig, und dadurch verschlechtern sich die Bildqualität und Auflösung.
In der aktuellen Studie berichtet das Team über einen Weg, dieses Bleichen zu mindern, selbst wenn die Röntgendosis in extreme Bereiche getrieben wird. Dafür beleuchteten die Forschenden Neon-Nanopartikel mit neu verfügbaren Röntgenpulsen, die nur wenige hundert Attosekunden dauerten. Diese Pulse waren damit etwa hundert bis tausendmal kürzer als die bei früheren FEL-Bildgebungsexperimenten verwendeten. Durch das Abstimmen dieser ultraschnellen Blitze nahe der Neon-K‑Kante – einer Energie, bei der Neon-Atome besonders stark auf Röntgenstrahlung reagieren – machten die Forschenden eine unerwartete Beobachtung: Die Pulse überholten nicht nur den Schaden effektiver, sondern kehrten sogar einen Teil davon aktiv um, während die Bestrahlung noch lief.
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„Wenn intensive Röntgenstrahlen auf eine Probe treffen, reißen sie die Elektronen normalerweise aus ihrem ursprünglichen Zustand heraus. Laut Lehrmeinung lässt sich dieser Schaden, sobald er ausgelöst wurde, während der Bestrahlung nicht rückgängig machen“, sagt Anatoli Ulmer, der Erstautor der Studie. „Attosekunden‑Skalen‑Pulse durchbrechen diesen Zyklus, indem sie der üblichen Schadenskaskade davonlaufen. Außerdem beobachteten wir einen konkurrierenden Prozess der stimulierten Emission. Dabei werden die Elektronen durch die Röntgenstrahlen teilweise zurück in ihren ursprünglichen Zustand gedrückt. Die stimulierte Emission verringert also das elektronische Bleichen aktiv.“
Um den Effekt der stimulierten Emission einzugrenzen, hat das Team die Wirkung von 300 as kurzen Pulsen mit Pulsen, die bei ähnlicher Helligkeit fünfzigmal länger dauerten, verglichen. Wenn die Pulse sehr kurz sind, dann können viele Mechanismen, die für das Bleichen verantwortlich sind, gar nicht erst beginnen. Die längeren Pulse erzeugten eine heiße, dichte Wolke freier Elektronen. Obwohl sich die Ionen selbst kaum bewegen, verwischt dieses Nanoplasma letztlich die strukturellen Informationen der Probe.
Im Gegensatz dazu spiegeln die ultraschnellen Pulse eher Elektronen, welche noch an ihre Ursprungsionen gekoppelt waren. Dadurch entstand ein Bild, das die Probe wesentlich genauer widerspiegelt – so, wie sie existierte, bevor die Röntgenstrahlen eintrafen.
Zusätzlich war das Röntgensignal von den Attosekundenpulsen wesentlich stärker, obwohl die Probe weniger ionisiert wurde. „Wir waren sehr überrascht zu sehen, dass hellere Bilder mit weniger Schaden einhergehen“, sagt Tais Gorkhover, Professorin an der Universität Hamburg und Forscherin im Exzellenzcluster CUI – Advanced Imaging of Matter. „Es ist ein bisschen so, als würde man immer mehr Sonnenlicht von einem Metalldach reflektieren, ohne dass das Dach dabei wärmer wird.“ Dieser Effekt lässt sich aber über stimulierte Emission theoretisch nachvollziehen. Elektronen können von Röntgenlicht wieder näher zu ihren Ursprungsionen gebracht werden, wenn das Bleichen noch nicht weit fortgeschritten ist.
Das Ergebnis stellt den bisherigen, eher passiven Ansatz zur Verbesserung der Röntgenbildgebung neu in den Fokus. Anstatt den Schaden als eine Art Wettlauf zu betrachten, den man allein durch kürzere Belichtungszeiten oder begrenzte Röntgendosen gewinnt, legen die Befunde nahe, dass die Wechselwirkung zwischen Röntgenstrahlen und Materie aktiv gesteuert werden kann: Mit demselben intensiven Licht, das den Schaden verursacht, lässt sich diesem auch teilweise entgegenwirken. [UHH / dre]
Weitere Informationen
- Originalpublikation
A. Ulmer, P. J. Ho, B. Langbehn, et al., Nonlinear reversal of photoexcitation on the attosecond time scale improves ultrafast X-ray diffraction images, Nat. Commun. 17, 7556, 28. Juli 2026; DOI: 10.1038/s41467-026-75969-8 - Arbeitsgruppe Advanced Ultrafast X-ray Imaging (Tais Gorkhover), Institut für Experimentalphysik, Fachbereich Physik, Universität Hamburg, xray.cfel.de
