Wachstumsbremse für Röntgenlaser

Wollen Forscher heute ins Innere von Atomen schauen, den Ablauf chemischer Reaktionen in Echtzeit verfolgen oder Prozesse an Nanomaterialien beobachten, dann nutzen sie intensive Röntgenstrahlung.

Denn mit ultrakurzen Röntgenpulsen lassen sich extrem schnelle Vorgänge bis in den Nanometer-Bereich auflösen. Erzeugt werden solche Röntgenpulse in riesigen Teilchenbeschleunigern, etwa dem Röntgenlaser FLASH des Hamburger DESY. Doch die Messzeit an diesen Großanlagen ist begrenzt und ihre Nutzung für die Forscher aus aller Welt – die an den Beschleunigern quasi „Schlange stehen“ müssen – enorm teuer.

„Derzeit sind gerade die ersten Röntgenquellen der vierten Generation im Einsatz und weitere werden in den nächsten Jahren folgen“, sagt Prof. Dr. Christian Spielmann von der Friedrich-Schiller-Universität Jena. „Allerdings“, so Spielmann weiter, „zeichnet sich bislang jede neue Generation durch eine noch größere Anlage aus, die wieder um Vieles teurer als ihr Vorgänger ist.“

Der Jenaer Physiker hat gemeinsam mit Kollegen der Universitäten Jena und Düsseldorf sowie des Jenaer Helmholtz-Instituts jetzt einen wichtigen Schritt zur Entwicklung einer neuen – der fünften – Generation von Röntgenquellen vollzogen. „Diese neue Reihe soll vor allem kompakter und dadurch kostengünstiger sein“, erläutert Spielmann. Wie das Forscherteam in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift „Nature Communications“ schreibt, ist es ihm gelungen, Röntgenpulse mit exakt definierten Eigenschaften zu erzeugen – und das nicht an einem Teilchenbeschleuniger sondern im kleinen Labormaßstab (DOI: 10.1038/ncomms3421).

Dazu fokussieren die Forscher ultrakurze Laserpulse in einen Strahl aus Heliumgas. Dabei werden Elektronen aus den Heliumatomen gerissen und auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. „Gleichzeitig beginnen die Elektronen zu schwingen“, erklärt Michael Schnell, Doktorand in Spielmanns Team. „Diese Schwingung führt schließlich zur Emission von Röntgenstrahlung, deren Eigenschaften von der genauen Bewegung der Elektronen abhängen“, so der Erstautor der Studie.

In ihrer Publikation haben die Jenaer Forscher gezeigt, dass sie die Schwingungsrichtung der beschleunigten Elektronen durch die Eigenschaften des eingesetzten Laserimpulses exakt bestimmen und kontrollieren können. „Damit ist die Grundlage geschaffen, diese im kleinen Maßstab erzeugten Röntgenpulse für diverse Anwendungen nutzbar zu machen“, ist Spielmann überzeugt. So sei die Schwingungsrichtung der Elektronen einerseits wichtig für die Ankopplung an weitere Beschleuniger. „Zum anderen bestimmt sie den Polarisationszustand der resultierenden Röntgenstrahlung.“ In ihren Experimenten konnten die Jenaer Forscher zum ersten Mal messen, dass die Elektronen vorzugsweise in einer Ebene schwingen und daher linear polarisiert sind. Linear polarisierte Röntgenimpulse lassen sich künftig beispielsweise dazu nutzen, magnetische Strukturen zu analysieren und mit diesen Erkenntnissen magnetische Speichermedien zu verbessern.

Original-Publikation:
Michael Schnell et al. Optical control of hard X-ray polarization by electron injection in a laser wakefield accelerator, Nature Communications 2013, DOI: 10.1038/ncomms3421
Kontakt:
Dipl. Phys. Michael Schnell
Institut für Optik und Quantenelektronik der Friedrich-Schiller-Universität Jena
Max-Wien-Platz 1, 07743 Jena
Tel.: 03641 / 947268
E-Mail: Michael.Schnell.1[at]uni-jena.de
Prof. Dr. Christian Spielmann
Institut für Optik und Quantenelektronik der Friedrich-Schiller-Universität Jena
Max-Wien-Platz 1, 07743 Jena
Tel.: 03641 / 947230
E-Mail: christian.spielmann[at]uni-jena.de