- Wissenschaftler haben erfolgreich ultrakurze Röntgenpulse konzentriert und einen neuen Intensitätsrekord erreicht.
- Dieser Fortschritt hilft, das Verhalten von Elektronen unter starkem Licht zu untersuchen.
- Die Forscher verwendeten ein fortschrittliches optisches System, um die Röntgenstrahlen auf einen kleinen Bereich zu fokussieren.
- Starke Röntgenpulse könnten die Art und Weise verändern, wie chemische Reaktionen untersucht werden.
Die Bewegungsgeschwindigkeit von Elektronen innerhalb von Atomen und Molekülen ist extrem hoch, weshalb zur Untersuchung ihres Verhaltens Lichtblitze von nur einer Billionstel einer Billionstel Sekunde erforderlich sind. Wissenschaftler haben nun eine Methode gefunden, um diese ultrakurzen Röntgenblitze auf einen winzigen Punkt zu konzentrieren, wodurch sie beim Auftreffen auf das Probenmaterial mehr Energie besitzen. In Experimenten am European XFEL wurde ein neuer Rekord für die Intensität und den Fluss von harten Röntgen-Attosekundenpulsen erreicht. Die Spitzenintensität übersteigt 1020 Watt pro Quadratzentimeter.
Der leitende Forscher Ichiro Inoue von der Universität Tokio erklärte: „Dies ist ein Weltrekord für die Intensität und den Fluss von harten Röntgen-Attosekundenpulsen.“ Dieser Fortschritt könnte Wissenschaftlern helfen, zu untersuchen, wie Elektronen auf starkes Licht reagieren, und letztlich Wege zu finden, sie während chemischer Reaktionen zu kontrollieren.
Fokussierung von Röntgenstrahlen mit fortschrittlichen optischen Systemen
Das Experiment fand im April 2026 statt und verwendete Röntgenblitze mit einer Dauer von etwa 300 Attosekunden. Attosekunden sind eine Billionstel einer Billionstel Sekunde, was diese Pulse für die Untersuchung einiger der schnellsten Prozesse, die Elektronen betreffen, geeignet macht. Die Forscher leiteten die Pulse durch ein fortschrittliches Kirkpatrick–Baez (AKB) optisches System, das aus zwei präzisen Spiegeln besteht. Jeder Blitz wird viermal an den Spiegeln reflektiert. Ein Spiegel fokussiert die Röntgenstrahlen vertikal, während der andere sie horizontal fokussiert und den Lichtstrahl auf einen Bereich von nur 180 × 330 Nanometern konzentriert.
Kurz gesagt, die Forscher haben es geschafft, die Röntgenstrahlen auf einen Bereich zu fokussieren, der etwa 100.000 Mal kleiner ist als der Querschnitt eines typischen menschlichen Haares. Dieser Erfolg basiert auf früheren Forschungen am European XFEL, wo die Forscher kilowattstarke harte Röntgen-Attosekundenpulse demonstrierten. Allerdings ist die Erzeugung starker Pulse nur ein Teil des Problems. Die Energie muss in einer ausreichend konzentrierten Form das Probenmaterial erreichen, um die gewünschten Effekte zu erzielen, was auch eine Herausforderung für andere Röntgenlasertechnologien darstellt, die zur Untersuchung von Materialien im Mikroskopischen eingesetzt werden.
Ein Forscher, Jiawei Yan, erklärte: „Vor einigen Jahren haben wir am European XFEL kilowattstarke harte Röntgen-Attosekundenpulse demonstriert. Aber die Erzeugung starker Pulse ist nur der erste Schritt. Für das Experiment ist es entscheidend, was wir dem Probenmaterial tatsächlich liefern können. Mit diesem Fortschritt können wir nun die hochgradig nichtlinearen Wechselwirkungen zwischen Röntgenstrahlen und Materie mit Attosekunden-Röntgenstrahlen untersuchen.“
Um die Intensität unabhängig zu überprüfen, richtete das Forschungsteam die Röntgenpulse auf ein Stück Kupferfolie und untersuchte das emittierte Licht der Atome. Die einfallenden Röntgenstrahlen schlugen Elektronen aus den inneren Schalen der Kupferatome heraus, wodurch Leerstellen oder Löcher entstanden. Elektronen aus der äußeren Schale füllten diese Leerstellen und setzten dabei Energie in Form von Röntgenstrahlen frei. Bei ausreichend starker Beleuchtung kann diese Emission andere angeregte Kupferatome anregen, Röntgenstrahlen in die gleiche Richtung abzugeben. Der dabei entstehende Verstärkungseffekt erzeugt ein stärkeres und konzentrierteres Signal. Dieser Prozess wird als amplifizierte spontane Emission (ASE) bezeichnet, ein Phänomen, das mit den möglichen Emissionsprozessen von Röntgenlasern verbunden ist.
Der Projektleiter Anders Madsen erklärte: „Es ist fast magisch, diesen Prozess zu beobachten. Normale Fluoreszenz strahlt in alle Richtungen aus, unabhängig von der Richtung des einfallenden Lichtstrahls. Aber wenn der ASE-Schwellenwert überschritten wird, sieht man, wie der Lichtstrahl beginnt, sich nach vorne zu konzentrieren.“
Ursprünglich wuchs das ASE-Signal schnell an, als die Forscher die Pulsenergie erhöhten. Bei höheren Energien begann das Signal jedoch, sich zu stabilisieren, ein Verhalten, das als Sättigung bezeichnet wird. Diese Reaktion stimmt mit der extrem hohen Intensität überein, die auf der Grundlage von Pulsenergie, -dauer und -fokussierungsgröße geschätzt wurde, und bietet eine unabhängige Überprüfung der Berechnungen.
Potenzielle Anwendungen starker Röntgenpulse
Dieser Erfolg könnte den Forschern helfen, das Verhalten von Elektronen in Atomen und Molekülen zu untersuchen, einschließlich der Reaktion von Materialien auf starke Röntgenbeleuchtung. Langfristig könnten diese Studien dazu beitragen, die Elektronen während chemischer Reaktionen zu kontrollieren. Die Forscher haben bereits Methoden zur Erfassung dieser schnellen Veränderungen untersucht, einschließlich Experimenten zur Abbildung von Elektronen und Atomen während chemischer Reaktionen. Das Experiment demonstrierte jedoch die Erzeugung und Validierung starker Röntgenpulse, nicht die direkte Kontrolle von Elektronen während des Reaktionsprozesses. Derzeit verwenden die Forscher ein AKB-Spiegelsystem, das aus Japan mitgebracht wurde.
Der European XFEL wird voraussichtlich Anfang 2027 sein eigenes System erhalten. Nach Installation und Tests wird dieses System es ermöglichen, diese kurzen und starken Röntgenblitze für Forscher zu nutzen, die die MID-Instrumente der Einrichtung verwenden.
Einfluss dieser Technologie auf die Elektronenforschung
Der Durchbruch dieser Technologie liegt in der Fähigkeit, extrem kurze Röntgenpulse zu konzentrieren, was für die Untersuchung des Verhaltens von Elektronen in Atomen und Molekülen entscheidend ist. Mit der Erhöhung von Intensität und Fluss werden Wissenschaftler in der Lage sein, tiefer zu erforschen, wie Elektronen unter starkem Licht reagieren, und möglicherweise in Zukunft die Kontrolle über Elektronen während chemischer Reaktionen zu erlangen. Dies könnte nicht nur die Grundlagenforschung vorantreiben, sondern auch revolutionäre Auswirkungen auf die Materialwissenschaft und die Anwendung chemischer Reaktionen haben.