Schärfster Röntgenstrahl der Welt leuchtet bei DESY

Der feine Strahl schärft den Blick der Forschungslichtquelle für kleinste Details. Die Arbeitsgruppen von Prof. Tim Salditt vom Institut für Röntgenphysik und von Prof. Hans-Ulrich Krebs vom Institut für Materialphysik der Georg-August-Universität Göttingen stellen ihre Arbeit im Fachjournal „Optics Express“ vor.

Energiereiches („hartes“) Röntgenlicht lässt sich nicht einfach fokussieren wie sichtbares Licht mit einem Brennglas. „Statt einer gewöhnlichen Linse verwenden wir daher eine sogenannte Fresnel-Linse, die aus verschiedenen Schichten aufgebaut ist“, erläutert Ko-Autor Dr. Markus Osterhoff aus dem Team. Als zentraler Träger dient dabei ein feiner, nur knapp einen tausendstel Millimeter dicker Wolframdraht.

Rund um den Draht werden abwechselnd Nanometer-dünne Schichten aus Silizium und Wolfram aufgetragen. Aus dem beschichteten Draht schneiden die Physiker eine dünne Scheibe. „Über diese Scheibe ziehen sich 50 bis 60 Silizium- und Wolframschichten ähnlich wie die Ringe einer Baumscheibe“, erläutert Florian Döring aus dem Team. „Und deren Dicken müssen hochpräzise sein“, fügt Christian Eberl hinzu. Die beiden Doktoranden haben die einzelnen Produktionsschritte optimiert.

Diese nur etwa zwei tausendstel Millimeter große Drahtscheibe dient als Linse. Sie bricht das Licht jedoch nicht wie eine Glaslinse, sondern streut es wie ein optisches Gitter, das ein Muster aus hellen und dunklen Bereichen erzeugt. Die Dicke der Schichten ist in diesem Fall so gewählt, dass die hellen Bereiche des Beugungsmusters auf einen Punkt fallen. Je genauer die Linse gearbeitet ist, desto schärfer wird dieser Röntgenfokus.

Die Physiker erreichten auf diese Weise einen Röntgenstrahl von 4,3 Nanometern (millionstel Millimetern) Durchmesser in horizontaler Richtung und 4,7 Nanometern Durchmesser in vertikaler Richtung. Bis vor kurzem waren Forscher noch uneinig darüber, ob nicht fundamentale Grenzen so kleine Fokusgrößen unmöglich machen. Unter anderem dank der herausragenden Brillanz von DESYs Röntgenquelle PETRA III ließ sich nun ein nutzbarer Nanofokus erreichen.

Der feine Röntgenstrahl eröffnet neue Möglichkeiten für die Materialforschung, etwa zur Untersuchung von Nanodrähten, die in Solarzellen zum Einsatz kommen sollen. „Normalerweise kann man beispielsweise bei der Untersuchung der chemischen Zusammensetzung einer Probe nur Strukturen auflösen, die größer sind als der Strahl selbst. Vor diesem Experiment lag die Grenze noch bei etwa 20 Nanometern“, erläutert DESY-Forscher Dr. Michael Sprung, der verantwortliche Wissenschaftler für die PETRA-Messstation P10, an der die Experimente stattfanden.

Als nächsten Schritt wollen die Forscher die Leistungsfähigkeit der Linse weiterentwickeln und die Schichten dazu auf einer ultradünnen und extrem gleichförmigen Glasfaser aufbringen. Zudem planen sie, erste Nanostrukturen mit ihrem neuen ultrafeinen Strahl zu untersuchen. In Zukunft soll eine solche Linse dabei helfen, Röntgenfoki mit höchster Leuchtkraft mit der Strahlung von Freie-Elektronen-Lasern (FEL) zu erzeugen.