Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

BESSY II: Millionenfach schnellerer Wechsel von zirkular polarisierten Lichtpulsen

02.04.2020

Am Speicherring BESSY II hat ein Team gezeigt, wie sich die Händigkeit (Helizität) von zirkular polarisierter Synchrotronstrahlung schneller umschalten lässt – und zwar bis zu einer Million Mal schneller als bisher. Sie nutzten dazu einen am HZB entwickelten elliptischen Doppel-Undulator und betrieben den Speicherring im sogenannten Two-Orbit-Modus. Dies ist eine besondere Betriebsart, die erst vor kurzem an BESSY II entwickelt wurde und die Basis für die schnelle Umschaltung liefert. Der ultraschnelle Wechsel der Lichthelizität ist vor allem für Untersuchungen von Prozessen in magnetischen Materialien interessant und wird schon seit langem von einer großen Nutzergemeinde erwartet.

In Synchrotronstrahlungsquellen wie BESSY II kreisen Elektronenpakete mit nahezu Lichtgeschwindigkeit im Speicherring. Dabei werden sie durch periodische Magnetstrukturen (Undulatoren) dazu gebracht extrem helle Lichtpulse mit besonderen Eigenschaften abzugeben.


Dieses Bild zeigt ein Röntgenbild des Elektronenstrahls im TRIB-Modus, bei dem zwei Bahnen koexistieren: die reguläre Bahn und die zweite, die sich um diese Bahn windet und sich erst nach drei Umdrehungen schließt.

© F. Armborst/K. Holldack

Eine dieser Besonderheiten ist die Polarisation: Mit speziellen elliptischen Undulatoren können linear aber auch zirkular polarisierte Lichtpulse erzeugt werden. Magnetische Strukturen in Materialien reagieren unterschiedlich auf zirkular polarisiertes Licht: Je nachdem, ob die Händigkeit (Helizität) der Röntgenpulse rechts- oder linksdrehend ist absorbieren sie diese Strahlung mehr oder weniger.

Dies nutzt man seit den 80er Jahren in sogenannten XMCD-Experimenten (X-ray Circular Dichroism) aus, um statische aber auch dynamische Veränderungen in magnetischen Materialien zu untersuchen oder auch magnetische Nanostrukturen auf Oberflächen abzubilden.

Insbesondere für solche abbildenden Verfahren wünscht sich die Nutzergemeinde an Synchrotronstrahlungsquellen seit langem die Möglichkeit die Helizität des Lichts schnell umzuschalten, vor Allem weil sich daraus direkt ein magnetischer Bildkontrast ergibt, der z.B. Bits in magnetischen Datenspeichern sichtbar und quantifizierbar macht.

In den für BESSY II typischen elliptischen Undulatoren (APPLE II), die von der Gruppe um Johannes Bahrdt entwickelt wurden, wird die Helizität des Lichtes durch eine mechanische Verschiebung von meterlangen Anordnungen von starken Permanentmagneten geschaltet, ein Vorgang, der teilweise Minuten dauert.

Die neue Methode basiert dagegen auf der Kombination solcher Undulatoren mit einem speziellen Orbit des Elektronenstrahls im Speicherring - der durch die sogenannten TRIBs (transverse resonance island buckets) erzeugt wird. Die TRIBs hatte der HZB-Beschleunigerexperte Dr. Paul Goslawski erstmals an BESSY II experimentell untersucht.

Während der Weg der Elektronen im Speicherring sich normalerweise nach einem Umlauf schließt, laufen im TRIBs-Modus die Elektronen bei aufeinanderfolgenden Umläufen auf verschiedenen Bahnen und können so Röntgenpulse von jeweils anderen Magnetfeldanordnungen emittieren. Diese Idee geht auf Dr. Karsten Holldack und Dr. Johannes Bahrdt zurück.

Dass sie tatsächlich funktioniert, konnten Holldack und Bahrdt kürzlich mit Hilfe des vorhandenen Doppelundulators UE56-2 bei BESSY II im Rahmen eines Pilotexperimentes: zeigen: Beim Durchgang durch eine speziell vorbereitete Magnetanordnung dieses Doppel-Undulators gaben in der Tat die Elektronenpakete aus unterschiedlichen Bahnen im TRIBs-Modus Röntgenphotonen mit derselben Wellenlänge aber entgegengesetzter zirkularer Polarisation ab.

Dadurch können nun prinzipiell XMCD-Signale von magnetischen Proben im Zeitabstand von nur einer Mikrosekunde mit abwechselnd rechts- und dann linkszirkular polarisierten Lichtpulsen untersucht werden.

Im Pilotexperiment wurden die XMCD-Signale von einer magnetischen Probe (Nickel in Permalloy) von Umlauf zu Umlauf detektiert und der schnelle (MHz) Helizitätswechsel konnte eindeutig nachgewiesen werden.

Mit neuen, für diesen Zweck maßgeschneiderten, Undulatoren könnten bei BESSY II im TRIBs-Modus spezielle Beamlines mit ultraschnellem Helizitätswechsel angeboten werden. Perspektisch sind sogar Wechsel im Nanosekundenabstand denkbar. „Dass die TRIBs-Entwicklung mit den Two-Orbits jetzt auch noch ganz neue Experimente an BESSY II ermöglicht, freut uns sehr“, sagt Goslawski. Dies wäre aber auch eine attraktive Option für BESSY III. Die Ergebnisse wurden nun bei Nature Communications Physics veröffentlicht.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Karsten Holldack, karsten.holldack@helmholtz-berlin.de

Originalpublikation:

Publiziert in Nature Communications Physics (2020): Flipping helicity of X-rays from an undulator at unprecedented speed

Karsten Holldack, Christian Schüßler-Langeheine, Paul Goslawski, Niko Pontius, Torsten Kachel, Felix Armborst, Markus Ries, Andreas Schälicke, Michael Scheer, Winfried Frentrup and Johannes Bahrdt

DOI : 10.1038/s42005-020-0331-5

Weitere Informationen:

Was es mit dem 2. Orbit für BESSY II auf sich hat, erklären die Physiker in diesem kurzen Video: https://www.youtube.com/watch?v=toT6_MTcwhE&t=34s

Dr. Antonia Rötger | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH
Weitere Informationen:
http://www.helmholtz-berlin.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Ein Schritt auf dem Weg zum Spektrometer für jedermann
03.06.2020 | Universität Leipzig

nachricht Der gebrochene Spiegel: Erstmals Messung der Paritätsverletzung in Molekülen möglich?
03.06.2020 | Johannes Gutenberg-Universität Mainz

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Magnetische Kristallschichten für den Computer von Morgen

Ist die Elektronik, so wie wir sie kennen, am Ende?

Der Einsatz moderner elektronischer Schaltkreise für immer leistungsfähigere Rechentechnik und mobile Endgeräte stößt durch die zunehmende Miniaturisierung in...

Im Focus: K-State study reveals asymmetry in spin directions of galaxies

Research also suggests the early universe could have been spinning

An analysis of more than 200,000 spiral galaxies has revealed unexpected links between spin directions of galaxies, and the structure formed by these links...

Im Focus: Neue Messung verschärft altes Problem

Seit Jahrzehnten rätseln Astrophysiker über zwei markante Röntgen-Emissionslinien von hochgeladenem Eisen: ihr gemessenes Helligkeitsverhältnis stimmt nicht mit dem berechneten überein. Das beeinträchtigt die Bestimmung der Temperatur und Dichte von Plasmen. Neue sorgfältige, hoch-präzise Messungen und Berechnungen mit modernsten Methoden schließen nun alle bisher vorgeschlagenen Erklärungen für diese Diskrepanz aus und verschärfen damit das Problem.

Heiße astrophysikalische Plasmen erfüllen den intergalaktischen Raum und leuchten hell in Sternatmosphären, aktiven Galaxienkernen und Supernova-Überresten....

Im Focus: New measurement exacerbates old problem

Two prominent X-ray emission lines of highly charged iron have puzzled astrophysicists for decades: their measured and calculated brightness ratios always disagree. This hinders good determinations of plasma temperatures and densities. New, careful high-precision measurements, together with top-level calculations now exclude all hitherto proposed explanations for this discrepancy, and thus deepen the problem.

Hot astrophysical plasmas fill the intergalactic space, and brightly shine in stellar coronae, active galactic nuclei, and supernova remnants. They contain...

Im Focus: Neuartiges Covid-19-Schnelltestverfahren auf Basis innovativer DNA-Polymerasen entwickelt

Eine Forschungskooperation der Universität Konstanz unter Federführung von Professor Dr. Christof Hauck (Fachbereich Biologie) mit Beteiligung des Klinikum Konstanz, eines Konstanzer Diagnostiklabors und des Konstanzer Unternehmens myPOLS Biotec, einer Ausgründung aus der Arbeitsgruppe für Organische Chemie / Zelluläre Chemie der Universität Konstanz, hat ein neuartiges Covid-19-Schnelltestverfahren entwickelt. Dieser Test ermöglicht es, Ergebnisse in der Hälfte der Zeit zu ermitteln – im Vergleich zur klassischen Polymerase-Ketten-Reaktion (PCR).

Die frühe Identifikation von Patienten, die mit dem neuartigen Coronavirus (SARS-CoV-2) infiziert sind, ist zentrale Voraussetzung bei der globalen Bewältigung...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Gebäudewärme mit "grünem" Wasserstoff oder "grünem" Strom?

26.05.2020 | Veranstaltungen

Dresden Nexus Conference 2020 - Gleicher Termin, virtuelles Format, Anmeldung geöffnet

19.05.2020 | Veranstaltungen

Urban Transport Conference 2020 in digitaler Form

18.05.2020 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Magnetische Kristallschichten für den Computer von Morgen

03.06.2020 | Informationstechnologie

Wundheilung detailliert aufgeschlüsselt

03.06.2020 | Biowissenschaften Chemie

Ein einzelnes Gen bestimmt das Geschlecht von Pappeln

03.06.2020 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics