Röntgenstrahlung macht Eisen durchsichtig

Hamburg – Mit intensivem Laserlicht können Forscher ein normalerweise undurchsichtiges Material für Licht einer bestimmten Wellenlänge transparent machen. Dieser Effekt nennt sich elektromagnetisch induzierte Transparenz (EIT) und entsteht durch ein komplexes Wechselspiel des Lichts mit der Elektronenhülle der Atome. Mit Experimenten an der Röntgenquelle Petra III am Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY in Hamburg wies eine Gruppe von Wissenschaftlern diesen Effekt nun auch bei Röntgenlicht nach, hier hervorgerufen durch die Anregung von Atomkernen eines Eisenisotops. 

System von Spiegelpaaren, die in einer langen Reihe jeweils parallel zueinander stehen. Darüber sind grüne Lichtstrahlen zu sehen.
Optischer Resonator

Die Forscher um Ralf Röhlsberger vom DESY positionierten zwei dünne Schichten von Eisen-57-Atomen in einem optischen Resonator, einer Anordnung zweier paralleler Platinspiegel. Bei Eisen-57 handelt es sich um ein Isotop des Elements Eisen mit fünf zusätzlichen Neutronen im Kern, das zu etwa zwei Prozent im natürlichen Eisen enthalten ist. Die Forscher beleuchteten die Eisen-57-Schichten nun unter sehr kleinen Einfallswinkeln mit einem äußerst dünnen Röntgenstrahl der Synchrotronlichtquelle PETRA III. Das Licht wird innerhalb dieses Spiegelsystems etliche Male hin- und her reflektiert und bildet eine stehende Welle, eine sogenannte Resonanz. Stehen die Wellenlänge des Lichts und die Abstände der beiden Eisenschichten in diesem optischen Resonator im richtigen Verhältnis zueinander, können die Forscher beobachten, dass das Eisen für das Röntgenlicht fast vollständig durchsichtig wird. Dafür muss eine Eisenschicht genau im Minimum (Knoten) der Lichtresonanz liegen, die zweite genau im Maximum. Verschiebt man die Schichten innerhalb des Resonators, wird das System sofort wieder undurchsichtig. 

Die Forscher machen für diese Beobachtung einen quantenoptischen Effekt verantwortlich, der durch das Zusammenspiel der Atome in den Eisenschichten hervorgerufen wird. Die Schwingungen der Eisenatome in den beiden Schichten kompensieren sich dabei gegenseitig, sodass das eingestrahlte Licht ungehindert passieren kann: Das Eisen erscheint durchsichtig. Um diesen Effekt hervorzubringen, benötigten die Forscher nur wenige Lichtquanten. 

„Unsere Transparenz von Atomkernen ist quasi der EIT-Effekt im Atomkern“, erläutert Röhlsberger die Experimente. Eine weitere Parallele zum EIT-Effekt konnten die Forscher in ihren Versuchen bereits beobachten: Das im optischen Resonator gefangene Licht breitete sich nur noch mit einer Geschwindigkeit von wenigen Metern pro Sekunde aus – normalerweise sind es knapp 300.000 Kilometer pro Sekunde. Wie langsam das Licht in diesem Fall wirklich wird und ob sich mit dieser Technik in Zukunft Informationen in Form extrem langsamer oder gar gestoppter Lichtpulse speichern lassen, wollen die Forscher weiter untersuchen.

„Der Weg zum Lichtquanten-Computer ist sicherlich noch sehr weit. Aber mit dem EIT-Effekt ermöglichen wir eine ganz neue Klasse von quantenoptischen Experimenten höchster Empfindlichkeit", sagt Röhlsberger. So sollte es etwa mit dem in Hamburg entstehenden Röntgenlaser European XFEL möglich sein, Röntgenlicht mit Röntgenlicht zu steuern. Bisher mangelt es an Ansätzen, diese energiereiche Strahlung gezielt zu kontrollieren.