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Der erste atomare Röntgenlaser

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Das Prinzip des atomaren Röntgenlasers: Der Pump-Strahl des XFEL (grün) trifft auf ein Neon-Atom und schlägt aus seinem Inneren ein Elektron heraus. Das dabei entstehende Loch wird sofort von dem mit einem Strahlenkranz dargestellten Elektron der äußeren Schale aufgefüllt, wobei ein Röntgenblitz ausgesendet wird. Der Röntgenpuls animiert andere Atome, im Gleichklang Röntgenblitze auszustrahlen. So entsteht der Strahl des atomaren Röntgenlasers, der in der Richtung des Pump-Lasers abgegeben wird. © Greg Stewart / SLAC

Wie aus der Energie des Sonnenlichts in Pflanzen Zucker oder in Solarzellen Strom wird, dürfte sich künftig genauer beobachten lassen. Forscher des Hamburger Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) haben am kalifornischen Forschungszentrum SLAC den ersten Röntgenlaser auf Atom-Basis konstruiert.

Mithilfe von Neonatomen erzeugten sie ultrakurze Röntgenblitze von einzigartiger Farbreinheit. Solche Laserpulse erlauben es etwa, den Ladungstransport bei der Fotosynthese mit atomarer Auflösung zu studieren, um ihn möglicherweise in technischen Systemen nachzuahmen. Auch über die elektronischen Prozesse in fotovoltaischen Elementen können Physiker mithilfe des atomaren Röntgenlasers mehr erfahren. Das könnte letztlich dazu beitragen, effizientere Solarzellen zu entwickeln.

Freie-Elektronen-Laser eröffnen Materialwissenschaftlern, Physikern und Biologen völlig neue Perspektiven. So können Forscher mit diesen Instrumenten erstmals Laserlicht im Röntgenbereich produzieren, um elektronische Prozesse oder chemische Reaktionen zu beobachten und die Struktur von Proteinen zu entschlüsseln, die sich gegen andere Methoden der Strukturaufklärung sperren. Doch selbst mit einem Röntgen-Freie-Elektronen-Laser (XFEL), wie er in einer Kooperation der Max-Planck-Gesellschaft, des Deutschen Elektronen-Synchrotrons DESY und der Universität Hamburg auch am CFEL entsteht, sind manche Untersuchungen schwierig oder gar unmöglich. Ein atomarer Röntgenlaser schafft hier Abhilfe.

„Ein atomarer Röntgenlaser erzeugt Laserlicht mit etwa 60-mal schärfer definierter Wellenlänge als ein Freie-Elektronen-Röntgenlaser, außerdem bleibt seine Wellenlänge völlig stabil, seine Pulse sind kürzer, und er weist ein glatteres Pulsprofil auf“, erläutert Nina Rohringer, Wissenschaftlerin der Max Planck Advanced Study Group am CFEL. Gemeinsam mit Kollegen des Lawrence Livermore National Laboratory und der Colorado State University hat die Physikerin den atomaren Röntgenlaser realisiert.

Ein Freie-Elektronen-Laser pumpt den atomaren Röntgenlaser
Dieser Laser erlaubt es mit seinen sehr kurzen und einfarbigen Pulsen nicht nur, elektronische Prozesse mit extrem hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung zu beobachten, also etwa zu verfolgen, wie ein Elektron bei der Fotosynthese durch das beteiligte Molekül hüpft. „Mit einem solchen Laser können wir auch nicht-lineare Effekte studieren“, sagt Nina Rohringer. So könnten die Forscher damit die optischen Eigenschaften so manipulieren, dass sich Licht darin nur noch mit dem Tempo eines Dauerläufers bewegt. Das wiederum ist nicht nur für Physiker ein spannender Effekt, sondern könnte sich auch in der Fotonik als nützlich erweisen, die elektronische Bauteile mit Licht betreibt.

Obwohl der atomare Röntgenlaser dem Freie-Elektronen-Laser in manchen Eigenschaften überlegen ist, hat auch dieser überzeugende Vorzüge. So strahlt der FEL intensiveres Laserlicht aus und deckt ein breiteres Wellenlängen-Spektrum ab. Und: Der Röntgenlaser von Nina Rohringer und ihrem Team würde ohne einen Freie-Elektronen-Laser nicht funktionieren. Denn die Forscher pumpen mit diesem die notwendige Energie in Neonatome, damit in dem Edelgas Laserlicht entsteht. Zu diesem Zweck nutzten Nina Rohringer und ihre Kollegen den Freie-Elektronen-Laser LCLS am SLAC National Accelarator Laboratory im kalifornischen Menlo Park.

Ionisierte Neonatome senden kurze Röntgenpulse aus
In Freie-Elektronen-Lasern werden Elektronen per Teilchenbeschleuniger bis nahe der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und mit starken Magneten auf einen gezielten Schlingerkurs gebracht. Dabei erzeugen sie laserartige Strahlung im Röntgenbereich. Im Gegensatz dazu basieren traditionelle optische Laser auf der Strahlung von Atomen, die zum Leuchten angeregt werden. Dieses Leuchten verstärkt sich im Lasermedium selbst. Das war bislang im Röntgenbereich nicht möglich, weil die Anregung der Atome in diesem Bereich sehr intensive Strahlung erfordert. Das Team um Rohringer hat mithilfe der LCLS nun den ersten Röntgenlaser auf Atom-Basis realisiert – mehr als 40 Jahre, nachdem die ursprüngliche Idee für ein solches Gerät erstmals veröffentlicht wurde.

Die Forscher schickten den 40 bis 80 Femtosekunden (eine Femtosekunde ist ein Billiardstel einer Sekunde) kurzen Röntgenpuls der LCLS durch eine Zelle mit sehr dichtem Neongas. Der Röntgenstrahl fraß sich dabei eine schmale Schneise durch das Gas, entlang derer er die Neonatome ionisierte. Das heißt, dass er jeweils ein inneres Elektron aus den Neonatomen herausschlug. Von den übrigen äußeren Elektronen der Atome rutschte daraufhin nach kurzer Zeit je eines nach innen und sandte dabei einen Röntgenpuls aus.

Nach dem Laser-Prinzip der Selbstverstärkung animierte dieser Puls das nächste Atom zu einem Röntgenpuls, so dass sich die zahlreichen Pulse zu einem Röntgen-Laserblitz überlagerten. Die Wellenlänge dieses Röntgenlichts lag bei 1,46 Nanometern (millionstel Millimetern). Zum Vergleich: Die meisten angewandten Laser im optischen Bereich haben eine Wellenlänge von 800 Nanometern. Die Wellenlänge bestimmt die Größe der Details, die sich in dem jeweiligen Licht noch erkennen lassen.

Eine Filmkamera für chemische Reaktionen

Die Röntgenlaser auf Basis freier Elektronen und auf Atombasis sind einerseits für unterschiedliche Aufgaben geeignet, sie können andererseits aber auch sehr gut zusammenarbeiten: Ihre Röntgenblitze besitzen unterschiedliche Wellenlängen, sodass ein Zweifarben-Röntgenlaser entsteht, bei dem beide Pulse optimal synchronisiert sind. „Das können wir nutzen, um mit einem Puls einen Prozess zu starten – wie etwa eine chemische Reaktion oder Anregung oder eine Strukturumwandlung in einem Festkörper – und diesen Prozess dann mit dem Puls anderer Farbe nach einer bestimmten Zeit abzulichten“, erklärt Nina Rohringer. Führt man dabei einen der Pulse über einen fest definierten Umweg, lässt er sich um eine gewünschte kurze Zeitspanne verzögern, um etwa verschiedene Stadien einer chemischen Reaktion abzulichten. Da beide Pulse zeitgleich erzeugt werden, lässt sich diese Zeitspanne genau bestimmen.

Am Hamburger CFEL möchte Rohringer den atomaren Röngtenlaser nun weiterentwickeln: „Wir untersuchen beispielsweise, wie wir zu noch höheren Energien gehen können, und ob es auch möglich ist, Moleküle, etwa Sauerstoff, statt Neonatomen als Lasermedium zu nutzen.“ Auf diese Weise könnte ein Röntgenlaser entstehen, der kurze und Pulse scharf definierter Wellenlänge erzeugt und dabei eine größere Bandbreite von Wellenlängen abdeckt. Das ist eine Voraussetzung, um spektroskopische Untersuchungen vorzunehmen, die nur mit Licht variabler Wellenlänge möglich sind.

TM/PH

Über LCLS
Der Röntgenlaser LCLS (Linac Coherent Light Source) ist eine vom US-Energieministerium finanzierte Großforschungsanlage am Beschleunigerzentrum SLAC in Kalifornien. LCLS ist der erste Freie-Elektronen-Laser für harte Röntgenstrahlung und eröffnet Forschern den Blick auf atomare Details und ultrakurze Prozesse in der Nanowelt. LCLS ermöglicht wegweisende Forschung in der Physik, der Chemie, der Strukturbiologie, der Energieforschung und auf zahlreichen weiteren Feldern.

Über das CFEL
Das Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) auf dem Forschungscampus Hamburg-Bahrenfeld ist eine Kooperation des Deutschen Elektronen-Synchrotrons DESY, der Max-Planck-Gesellschaft und der Universität Hamburg. Es beschäftigt sich mit der Forschung an sogenannten Freie-Elektronen-Lasern (FEL). Diese neuartigen Lichtquellen auf der Basis von linearen Teilchenbeschleunigern ermöglichen, die Natur auf der Skala einzelner Moleküle und Atome live zu beobachten. Unter dem Dach des CFEL treffen sich führende Forscher verschiedener Disziplinen, um gemeinsam an übergreifenden Themen zu arbeiten. Die gegenwärtig über 140 CFEL-Mitarbeiter bilden dabei fünf Divisionen und zwei sogenannte Advanced Study Groups mit einem Jahresetat von insgesamt mehr als zehn Millionen Euro.

Dr. Nina Rohringer | Quelle: Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen: www.mpg.de/4999936/atomarer_roentgenlaser

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