Erstes Röntgenlaserlicht mithilfe eines Festkörpers erzeugt

Bei einem klassischen Röntgenlaser werden Elektronen beschleunigt und mit starken Magneten auf eine Slalombahn gelenkt. Dabei senden sie Photonen aus, die sich zu einem Laserpuls überlagern. Anfang des Jahres war es Forschern erstmals gelungen, einen Röntgenlaser auf Atombasis zu konstruieren, indem sie Gasatome mit ultrakurzen Röntgenblitzen anregten. Nun gelang ein ähnliches Experiment auch auf Basis eines Festkörpers. Mit dieser Technik könnten sich zum Beispiel Prozesse in Halbleitern beobachten lassen, erklären die beteiligten Wissenschaftler in der Zeitschrift „Nature“.

Grafik, ein grüner Lichtstrahl trifft auf einen Kristall, auf der anderen Seite tritt ein roter Strahl aus.
Kristall als Röntgenlaser

Das Team um Martin Beye vom Helmholtz-Zentrum Berlin bestrahlte die Atome eines Siliziumkristalls mit hochenergetischer Röntgenstrahlung des Freie-Elektronen-Lasers FLASH, der am Forschungszentrum DESY in Hamburg betrieben wird. Die vom Röntgenlicht angeregten Atome senden jedoch kaum Photonen aus, wie es bei herkömmlichen Lasermedien der Fall wäre. Stattdessen geben sie die zugeführte Energie meist in Form von Elektronen wieder ab. Stattdessen geben sie die zugeführte Energie meist in Form von sogenannten Auger-Elektronen wieder ab. In seltenen Fällen entstehen zwar auch Photonen, doch ihre Zahl ist deutlich zu gering. In seltenen Fällen entstehen zwar auch Photonen, doch ihre Zahl ist zu gering.

Beye und seine Kollegen umgingen das Problem, indem sie viele Atome auf einmal anregten. Die ausgesandten Photonen trafen so häufiger auf andere angeregte Atome, die dann ein weiteres Photon abstrahlen konnten. Dieser Vorgang überwiegt schließlich gegenüber der Abgabe von Auger-Elektronen. „Ähnlich wie beim Laser arbeiten alle Photonen zusammen und verstärken sich gegenseitig“, erläutert Martin Beye. Dadurch entstand ein Laserpuls aus Röntgenlicht.

Um auf diese Weise einen Festkörper als Röntgenlaser zu nutzen, ist jedoch weiterhin die Anregung durch einen herkömmlichen Freie-Elektronen-Laser nötig. Außerdem ist die Energie des Laserpulses aus dem Kristall geringer als der Eingangspuls. Dennoch hat die Methode Vorteile: Mit der Aussendung des Laserlichts lässt sich der Festkörper selbst untersuchen. So könnte auch beobachtet werden, wie Halbleitermaterialien durch den Beschuss mit Laserlicht vom leitenden in den nichtleitenden Zustand übergehen. Die Forscher gehen sogar davon aus, dass die Röntgenlaserpulse mit geringerer Energie für Forschungsgebiete geeignet sind, in denen bislang nur mit Neutronenstreuung gearbeitet wird. „Mit dieser Technik wird die Analyse empfindlicher Proben möglich, die von intensivem Röntgenlicht sonst schnell zerstört werden“, erläutert Wilfried Wurth von der Universität Hamburg und dem Hamburger Center for Free-Electron Laser Science, der ebenfalls an der Studie beteiligt war. Mit freien Neutronen untersuchen Wissenschaftler zum Beispiel die Struktur von Metallen, Kunststoffen und Biomolekülen, da Neutronen tief eindringen und das Material trotzdem intakt bleibt. An der Strukturaufklärung von Molekülen haben Wissenschaftler bisher vor allem mit extrem kurzen Röntgenlaserpulsen gearbeitet.