Erster Röntgenlaser auf Atom-Basis

Hamburg/Menlo Park (USA) – Mit ihrer kurzen Wellenlänge und ultrakurzen Pulsdauer können Röntgenlaser atomare Details beim Verlauf chemischer Reaktionen sichtbar machen. Je reiner die Farbe des Lasers und je kürzer der Blitz, desto schärfer wird dabei das Bild. Forscher am Hamburger Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) haben jetzt am kalifornischen Forschungszentrum SLAC den ersten Röntgenlaser auf Atom-Basis konstruiert. Mit Hilfe von Neonatomen erzeugten sie Röntgenblitze von einzigartiger Farbreinheit. Das erlaubt in vielen Fällen einen schärferen Blick in die Nanowelt, wie die Wissenschaftler im britischen Fachjournal „Nature“ berichten.

Zu sehen ist ein Neonatom, bei dem die Protonen und Neutronen des Kerns sowie die Elektronen auf ihren Bahnen um den Kern vereinfacht als Kugeln dargestellt sind. Der Röntgenstrahl trifft das Atom, dabei wird eines der Elektronen aus der Hülle geschleudert und verlässt seine Bahn, ein anderes nimmt seinen Platz ein. Dabei gibt es einen Röntgenpuls ab, der als gelber Blitz dargestellt ist.
Funktionsweise des atomaren Röntgenlasers

Nina Rohringer vom Hamburger CFEL und ihre Kollegen vom Lawrence Livermore National Laboratory und der Colorado State University nutzten für ihre Versuche den Freie-Elektronen-Laser LCLS. 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. 

Die Forscher schickten den 40 bis 80 Femtosekunden  kurzen Röntgenpuls (eine Femtosekunde ist ein Billiardstel einer Sekunde) durch eine Zelle mit Neongas von hoher Gasdichte. Der Röntgenstrahl ionisiert dabei die Neonatome, auf die er trifft – das heißt, dass jeweils ein Elektron aus der Atomhülle herausgeschlagen wird. Die Energie, die dem Atom dabei zugeführt wird, gibt es anschließend in Form eines Röntgenpulses wieder ab. Nach dem Laser-Prinzip der Selbstverstärkung animiert dieser Puls das nächste Atom zu einem Röntgenpuls, so dass sich die zahlreichen Pulse zu einem Röntgen-Laserblitz überlagern. Die Wellenlänge dieses Röntgenlichts lag bei 1,46 Nanometern. 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.

„Das erzeugte Röntgenlicht ist etwas schwächer als dasjenige des Freie-Elektronen-Lasers, hat jedoch eine stabilere Wellenlänge, ein glatteres Pulsprofil und eine kürzere Pulsdauer“, erläutert Rohringer. Die Röntgenblitze aus dem Freie-Elektronen-Laser und aus den Neonatomen haben außerdem unterschiedliche Wellenlängen. So entsteht ein Zweifarb-Röntgenlaser, bei dem beide Pulse optimal synchronisiert sind. Das lässt sich etwa nutzen, um mit einem Puls einen Prozess  zu starten – wie etwa eine chemische Reaktion oder eine Strukturumwandlung in einem Festkörper – und diesen Prozess dann mit dem Puls anderer Farbe nach einer bestimmten Zeit abzulichten. Führt man einen der Pulse über einen fest definierten Umweg, lässt er sich um eine gewünschte kurze Zeitspanne verzögern, um etwa verschiedene Stadien einer chemischen Reaktion abzubilden. Da beide Pulse zeitgleich erzeugt werden, lässt sich diese Zeitspanne genau bestimmen.

Am Hamburger CFEL erforscht Rohringer nun, wie sich diese Technik erweitern lässt. „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.“