Modell eines Ribosoms

Gebändigtes Röntgenlicht

Röntgenstrahlung eignet sich sowohl als Werkzeug bei der Herstellung von immer kleineren Strukturen als auch als Sonde für Strukturuntersuchungen.

In Naturwissenschaft und Technik geht der Trend an der Schwelle des 21. Jahrhunderts zu immer kleineren Abmessungen. Er zeigt sich in der Forschung, wo man mittlerweile einzelne Atome und sogar Photonen beobachten und manipulieren kann, aber auch in der Fertigungstechnik, etwa in der Mikroelektronik. So sind die Bauelemente für Computer in den letzten 35 Jahren stetig kleiner geworden. War im Jahr 1970 ein Transistor noch etwa ein Hundertstel Millimeter "groß", war er 1985 schon auf ein Zehntel dieser Größe geschrumpft, und im Jahr 2000 waren seine Abmessungen erneut zehnmal winziger. Wenn der Fortschritt in der Miniaturisierung voranschreitet wie bisher, wären in zehn Jahren die elektronischen Bauelemente nur noch rund zehn Nanometer groß. Dies entspricht einer Reihe von etwa vierzig Atomen in einem Kristall.

Röntgenstrahlung als Werkzeug und Sonde

Modell des Moleküls, vielfarbige, verschlungene Ketten.
Ribosom

Das Werkzeug Licht muss mit dieser Entwicklung Schritt halten. Sichtbares Licht ist beispielsweise zur Herstellung winziger Schaltkreise im Nanometermaßstab nicht mehr geeignet. Seine Wellenlänge, die etliche hundert Nanometer beträgt, wäre größer als die Strukturen, die es erzeugen soll. Dies entspräche dem Versuch, mit einem Vorschlaghammer eine Taschenuhr zu reparieren.

Deshalb bemühen sich Forscher weltweit, Lichtquellen im Ultravioletten und im Röntgenbereich zu entwickeln. Diese wären nicht nur nützlich für die Fertigung von Nanostrukturen, sondern auch als Sonden in der Grundlagenforschung. So eignet sich extrem kurzwelliges Licht zur Untersuchung feinster biologischer Objekte, etwa für Gene, Viren oder Enzyme. Auch bei der Durchleuchtung von Kristallen zur Analyse organischer Riesenmoleküle, der so genannten Röntgenstrukturanalyse, ist intensives kohärentes Röntgenlicht unentbehrlich. Hier eröffnen sich wichtige Anwendungen in der medizinischen und pharmazeutischen Forschung. Eine besondere Herausforderung ist schließlich die Röntgenholographie, also die Erzeugung dreidimensionaler Abbilder im kurzwelligen Bereich. Ein zuverlässiger, lichtstarker Röntgenlaser wäre somit fast eine Neuausgabe von Aladins Wunderlampe.

Unter der Maske

Licht wird heute zur Herstellung winziger Schaltkreise für die Mikroelektronik benutzt. Man belichtet dabei Siliziumscheiben, die mit lichtempfindlichem Lack abgedeckt sind. Nur an den Stellen, die von Masken geschützt wurden, bleibt der Lack erhalten. An den anderen Stellen kann das ungeschützte Silizium nun geätzt werden. Auf diese Weise entstehen Mikrostrukturen wie zum Beispiel Leiterbahnen etc.

Elektronen auf der Slalombahn

Es gibt mehrere Wege zur Erzeugung extrem kurzwelliger elektromagnetischer Strahlen: Synchrotronstrahlung, Freie-Elektronen-Laser und hocherhitzte Plasmen.

Die Synchrotronstrahlung wird von Elektronen abgegeben, wenn sie sich auf Kreisbahnen bewegen, etwa in einem Beschleuniger oder Speicherring. Da diese Strahlung zwar sehr intensiv, aber nur mäßig gebündelt und vor allem nicht kohärent ist, ist sie für manche Zwecke nicht geeignet.

Grafische Darstellung eines Elektrons, das in einer langen, metallenen Struktur durch elektromagnetische Felder beschleunigt wird. Diese sind durch bunte Feldlinien dargestellt. Die Beschleunigungsstruktur besteht aus hintereinander aufgereihten, miteinander verbundenen Hohlräumen, die wie abgeflachte Kugeln geformt sind.
Resonatoren eines Linearbeschleunigers für einen Freie-Elektronen-Laser

Zur Verbesserung der Strahleigenschaften zwingt man deshalb im Freie-Elektronen-Laser hoch beschleunigte, fast lichtschnelle Elektronen durch eine Anordnung alternierender Magnete, einen so genannten Undulator, auf eine Slalom-bahn. Dabei geben sie ihre Strahlung weitgehend im Gleichtakt ab. Bei einem sehr kurzen Slalomtakt erzeugt dieser Laser entsprechend kurzwelliges Licht im extremen UV- oder sogar Röntgenbereich. Spiegel könnten den entstehenden Strahl zusätzlich verstärken und bündeln. Leider gibt es aber kein Material, das sich dazu eignen würde, einen Röntgenstrahl zu reflektieren - er geht durch einen Spiegel einfach hindurch. Man hofft jedoch, mit einer Kombination sehr dünner Schichten, die man auf die Spiegel aufdampft, wenigstens einen Teil der Röntgenstrahlung zurückwerfen zu können und so optische Komponenten auch für den extrem kurzwelligen Bereich zu entwickeln.

Elektronen und Wellen im Wettlauf

Ganz ohne Spiegel kommt hingegen der Freie-Elektronen-Laser nach dem SASE-Prinzip (Self-Amplified Spontaneous Emission) aus. Er arbeitet mit kompakten, sehr energiereichen Elektronenpaketen, wie sie nur von besonderen Teilchenbeschleunigern erzeugt werden können. Die im Undulator entstehende spontane Strahlung der Elektronen ist etwas schneller als diese und holt deshalb die vor ihr fliegenden Teilchen ein. Sie beschleunigt einen Teil und bremst einen anderen Teil ab. Durch die Wechselwirkung mit der selbst erzeugten elektromagnetischen Welle entstehen also dünne, scheibenförmige Elektronenpakete, die synchron strahlen: ein sich selbst verstärkender Effekt. Ein 260 Meter langer Freie-Elektronen-Laser, der nach diesem Prinzip arbeitet, hat im Jahr 2005 am Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY den Nutzerbetrieb aufgenommen. Es handelt sich um die Pilotanlage zu dem bei DESY geplanten, etwa 3,4 Kilometer langen europäischen Röntgenlaser XFEL, dessen Inbetriebnahme 2012 beginnen soll.

Weniger als eine billiardstel Sekunde werden seine Blitze dauern, gleichzeitig werden sie mehr als eine Milliarde mal stärker sein als die besten Röntgenquellen heute. Man will mit ihnen wie in einem Film chemische und physikalische Reaktionen in ihrem zeitlichen Ablauf verfolgen. Vor allem die Biologen sind an dem neuen Werkzeug interessiert. Es gibt ihnen die Möglichkeit, komplizierte organische Verbindungen zu durchleuchten und zu untersuchen, wie sie an andere Moleküle andocken. Das so gewonnene Wissen kann beispielsweise dabei helfen, neue Medikamente zu entwickeln.

Heißer als das Innere der Sonne

Eine ganz andere Möglichkeit zur Erzeugung kohärenten Röntgenlichts ist ein hoch erhitztes Plasma, das ist ein Gas aus geladenen Teilchen, zum Beispiel Elektronen und geladenen Atomen, den so genannten Ionen. Die Plasmaphysik hat in den letzten Jahren einen gewaltigen Aufschwung erlebt, und Experten trauen ihr wahre Wunderdinge zu. Dies ist nicht zuletzt auf Fortschritte in der Lasertechnologie zurückzuführen, die mit Hilfe kürzester Pulse (nur wenige Femtosekunden lang) sehr hohe Lichtintensitäten erzeugen kann.

Fokussiert man einen starken Femtosekundenlaser auf ein geeignetes Ziel (ein Target), so zerstäubt er das Material und heizt es auf sehr hohe Temperaturen auf. Wegen der extrem hohen Energiekonzentration auf engstem Raum entsteht dabei ein Gas aus geladenen Atomen. Welche Vorgänge in einem solchen Plasma genau ablaufen, wird derzeit erforscht - es sind prinzipiell dieselben Prozesse wie im Inneren von Sternen, die man auf diese Weise erstmals im Labor studieren kann. In jedem Fall sendet ein solches Plasma elektromagnetische Wellen im Röntgenbereich aus - im Laserfokus entsteht eine fast punktförmige Quelle sehr intensiver Röntgenstrahlung. Solche Quellen sind nicht nur für die Forschung, sondern insbesondere auch für die industrielle Fertigung interessant: Mit ihnen werden wahrscheinlich die Computerchips der übernächsten Generation gefertigt werden, deren Strukturen selbst nur noch 50 Nanometer groß sind, zehnmal kleiner als die Wellenlänge sichtbaren Lichts. Durch besonders geschickte Wahl der Plasmaparameter kann man sogar Lichtverstärkung durch stimulierte Emission erreichen: Der Röntgenlaser ist realisiert.

In vielen Labors untersucht man auch ein Phänomen, das eines Tages zu einer weiteren Quelle für kohärente Röntgenstrahlung führen könnte: die Frequenzvervielfachung. Unter extremen Bedingungen kann ein Laserstrahl die Atome eines Targets nicht nur in ihrer eigenen Frequenz stark anregen, sondern auch parallel dazu Oberschwingungen auslösen, ähnlich wie man dies von schwingenden Saiten kennt. Anschließend strahlen die Atome Lichtquanten ab. Deren Frequenz beträgt ein Vielfaches der Grundfrequenz und kann sich bis in den Röntgenbereich erstrecken. Die Umwandlungsrate in Röntgenlicht ist allerdings sehr gering - jenseits der hundertsten Oberwelle wird weniger als der millionste Teil des eingestrahlten sichtbaren Lichts in Röntgenstrahlung verwandelt. Wegen der hohen Strahlqualität erscheint es aber aussichtsreich, auch nach diesem Prinzip kohärente Röntgenlichtquellen zu bauen. Sie wären ideale Werkzeuge für Forschung und Diagnostik in den Mikro- und Nanowelten des kommenden Jahrhunderts.