Rekord-Intensität bei kurzen Röntgenpulsen könnte Untersuchung von Elektronen in Atomen und Molekülen verbessern

Forschende haben am European XFEL Röntgenblitze erzeugt, die nicht nur extrem kurz waren, sondern auch eine für diese Art von Pulsen rekordverdächtige Intensität erreichten. Die Forschenden fokussierten das Röntgenlicht auf eine Fläche, die etwa 100 000 Mal kleiner war als der Querschnitt eines typischen menschlichen Haares. Dadurch wurde das Röntgenlicht auf einen winzigen, aber extrem intensiven Punkt konzentriert. Die Methode könnte detaillierte Untersuchungen zum Verhalten von Elektronen in Atomen und Molekülen ermöglichen und langfristig sogar die Kontrolle von Elektronen während chemischer Reaktionen erlauben. Das Team veröffentlichte die Ergebnisse des im April 2026 durchgeführten Experiments nun in der Fachzeitschrift Optica.

„Dies ist ein Weltrekord in Bezug auf Intensität und Flussdichte für einen Attosekundenpuls im harten Röntgenbereich“, sagt Ichiro Inoue von der Universität Tokio, Erstautor der Veröffentlichung. Hartes Röntgenlicht ist Licht mit einer besonders kurzen Wellenlänge. Die Flussdichte gibt an, wie viel Energie dieses Licht auf eine bestimmte Fläche abgibt. In die Intensität fließt zudem ein, wie viel Energie pro Zeiteinheit ankommt. Die Dauer der im Experiment verwendeten Pulse schätzen die Forschenden auf 300 Attosekunden (eine Attosekunde ist ein Milliardstel eines Milliardstels einer Sekunde). Sie durchliefen ein System aus zwei extrem präzisen Spiegeln, das als „Advanced Kirkpatrick-Baez“-, kurz AKB-Optik bekannt ist. Jeder Röntgenblitz wurde darin insgesamt viermal reflektiert: Ein Spiegel fokussierte den Puls vertikal, der andere horizontal. Dies führte zu einem Fokuspunkt von nur 180 × 330 Nanometern (ein Nanometer ist ein Milliardstel Meter).

„Vor einigen Jahren haben wir am European XFEL harte Röntgen-Attosekundenpulse im Terawatt-Bereich erzeugt“, sagt DESY-Wissenschaftler Jiawei Yan, einer der Autoren der Studie. „Aber die Erzeugung leistungsstarker Pulse ist nur der erste Schritt. Für Experimente kommt es vor allem darauf an, was an der Probe ankommt. Mit diesem Fortschritt können wir nun Attosekunden-Röntgenpulse nutzen, um stark nichtlineare Wechselwirkungen zwischen Röntgenlicht und Materie zu untersuchen.“

Die Forschenden verfizierten, dass die Blitze eine Spitzenintensität von mehr als 10²⁰ Watt pro Quadratzentimeter erreichten. Dazu richteten sie die Pulse auf eine Kupferfolie. Die Röntgenpulse entzogen den Kupferatomen Elektronen aus tiefen inneren Schalen und hinterließen dabei „Lücken“. Wenn andere Elektronen diese Lücken füllen, emittieren sie wiederum Röntgenlicht. Bei sehr hohen Intensitäten kann dieses Licht andere angeregte Kupferatome dazu anregen, mehr Röntgenlicht in dieselbe Richtung zu emittieren, wodurch das Signal verstärkt wird. Dieser Vorgang wird als verstärkte spontane Emission (amplified spontaneous emission, ASE) bezeichnet.

„Es ist fast schon magisch, das zu beobachten“, sagt Anders Madsen, Gruppenleiter an der Experimentierstation MID, wo die Studie durchgeführt wurde. „Normale Fluoreszenz breitet sich in alle Richtungen aus, unabhängig von der Richtung des einfallenden Pulses. Sobald jedoch die ASE-Schwelle überschritten wird, sieht man, wie sich der Lichtkegel in Vorwärtsrichtung zu verdichten beginnt.“

Die Forschenden beobachteten, dass das ASE-Signal zunächst mit steigender Pulsenergie rasch zunahm, sich dann aber bei höheren Energien abflachte bzw. sättigte. Dieses Verhalten wird nur bei extrem hohen Röntgenintensitäten erwartet und lieferte somit eine unabhängige Bestätigung der aus der Pulsenergie, der Dauer und der Fokusgröße geschätzten Intensität.

Das verwendete hochmoderne Kirkpatrick-Baez-Spiegelsystem wurde für das Experiment aus Japan mitgebracht. European XFEL rechnet mit der Lieferung seines eigenen AKB-Systems Anfang 2027. Das neue System wird durch eine Zusammenarbeit mit der Universität Hamburg und mit Unterstützung des Bundesministeriums für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) finanziert. Nach der Installation und Inbetriebnahme soll es Forschungsteams aus aller Welt, die die MID-Experimentierstation nutzen, Zugang zu Röntgenblitzen bieten, die sowohl kurz als auch intensiv genug sind, um Informationen über Elektronen zu erfassen, bevor diese Röntgenblitze wesentliche Veränderungen in einer Probe hervorrufen können.