Optimierte Röntgenstrahlung als feineres Werkzeug für die Nanowelt

Stanford (USA) – Um die winzigen Strukturen der Nanowelt zu erkunden, sind hochpräzise Lichtquellen nötig. Die Strahlen herkömmlicher Röntgenlaser sind bislang kaum fein genug, um gestochen scharfe Bilder von einzelnen Atomen und chemischen Reaktionen zu liefern. Jetzt allerdings gelang es Forschern, den Röntgenstrahl einer großen Beschleunigerquelle deutlich stärker zu fokussieren. Sie nutzten dazu eine Methode namens self seeding, um den Strahl ohne Intensitätsverlust auf einen schmalen Wellenlängenbereich zu begrenzen. Das erfolgreiche Experiment ist das Ergebnis weltweiter Lösungsfindung, schreiben die Forscher im Fachblatt „Nature Photonics“. Die Idee stammt aus Deutschland, der Filter aus Russland und mittlerweile sind Wissenschaftler aus aller Welt dabei, die neue Methode auch an ihren Röntgenlaser-Beschleunigerzentren zu integrieren.

Langer Tunnel, durch den die Röhre des Röntgenlasers verläuft. Im Vordergrund ist ein gesonderter Aufbau aus weißen und silbernen Kästen zu sehen, der zwischen den Teilen der Röhre sitzt.
Undulatorbank mit Diamantfilter

„Wir waren überrascht, als wie einfach, robust und kosteneffektiv sich die technische Seite entpuppte, als wir die Idee umsetzten“, berichtet Jerry Hastings vom Nationalen Beschleunigerlabor der USA (SLAC): „Über self seeding sprechen Forscher seit beinah 15 Jahren und die Methode, die wir nutzten, wurde 2010 von Forschern des Europäischen Röntgenlasers XFEL und des Forschungszentrums DESY in Deutschland vorgeschlagen.“ Auch im SLAC steht ein Freie-Elektronen-Laser mit Licht im Röntgenbereich (XFEL). Unter dem Namen Linac Coherent Light Source (LCLS) schickt ein Teilchenbeschleuniger Elektronen bis nahe Lichtgeschwindigkeit in eine 130 Meter lange Reihe starker Magnetfelder, die die Teilchen kontrolliert im Zickzack schlingern lassen. Dadurch geben sie Strahlung im Röntgenbereich ab, die – im Beschleuniger selbst verstärkt – allerdings noch aus unterschiedlichen Wellenlängen zusammensetzt ist.

Während unerwünschte Bereiche bislang nur herausgefiltert werden und sich die Strahlintensität damit abschwächt, testeten die Forscher nun die neue Idee. Um den Wellenlängenbereich einzuengen, setzten die Forscher zunächst etwa in die Mitte der Magnetstrecke eine dünne Diamantscheibe aus Russland, die als sogenannter Monochromator nur Röntgenstrahlung einer schmalen Bandbreite von 0,4 bis 0,5 Elektronenvolt bei acht bis neun Kiloelektronenvolt zuließ. Dann verstärkten sie gezielt die Strahlung in der zweiten Hälfte der Magnetstrecke – der Prozess namens self seeding, eine „Impfung von innen“, liefert damit einen energiereichen Röntgenstrahl, auf eine einzige Lichtfarbe fokussiert wie auch bei optischen Lasern.

„Je mehr Kontrolle man hat, desto feiner die Details, die zu sehen sind“, erklärt Hastings. Die Methode hat demnach das Potenzial, dem LCLS Röntgenpulse zu entlocken, die bis zu zehn Mal intensiver sind als bisher. Mit solchen Pulsen ließe sich tief in komplexe Materialien hineinschauen, etwa um Hochtemperatursupraleiter oder die empfindlichen elektronischen Zustände in speziellen, topologischen Isolatoren zu untersuchen. Auch die Biologie würde von der Technologie profitieren: „Die neuen Ergebnisse sind ein weiterer Schritt auf dem Weg zu einem Röntgenstrahl, mit dem in Zukunft hochaufgelöste Bilder von einzelnen Proteinmolekülen aufgenommen werden können“, kommentiert Adrian Mancuso, Wissenschaftler bei European XFEL in Hamburg.