Schärfster Röntgenstrahl der Welt erzeugt

Forscher haben an der Röntgenlichtquelle PETRA III am Forschungszentrum DESY in Hamburg einen Strahl mit nur knapp fünf Nanometern Durchmesser erzeugt – das ist zehntausendmal dünner als ein menschliches Haar. Der feine Röntgenstrahl eröffnet neue Möglichkeiten für die Materialforschung, etwa zur Untersuchung von Nanodrähten, die in Solarzellen zum Einsatz kommen sollen. Ihre Arbeit stellen die Wissenschaftler im Fachjournal „Optics Express" vor. 

Energiereiches Röntgenlicht lässt sich nicht einfach fokussieren wie sichtbares Licht mit einem Brennglas. „Statt einer gewöhnlichen Linse verwenden wir daher eine sogenannte Fresnel-Linse, die aus verschiedenen Schichten aufgebaut ist“, erläutert Ko-Autor Markus Osterhoff von der Universität Göttingen. Als zentraler Träger dient dabei ein feiner, nur knapp einen tausendstel Millimeter dicker Wolframdraht. Rund um den Draht werden abwechselnd nanometerdünne Schichten aus Silizium und Wolfram aufgetragen. Aus dem beschichteten Draht schneiden die Physiker eine dünne Scheibe. „Über diese Scheibe ziehen sich fünfzig bis sechzig Silizium- und Wolframschichten ähnlich wie die Ringe einer Baumscheibe“, erläutert Erstautor Florian Döring.

Eine winzige Röntgenlinse sitzt auf einer Nadelspitze. Unter dem Elektronenmikroskop wirkt sie wie ein Fels auf einem schroffen Bergkamm.
Röntgenlinse unter dem Elektronenmikroskop

Diese nur etwa zwei tausendstel Millimeter große Drahtscheibe bricht das Licht nicht wie eine Glaslinse, sondern streut es wie ein optisches Gitter, hinter dem ein Muster aus hellen und dunklen Bereichen entsteht. Die Dicke der Schichten ist in diesem Fall so gewählt, dass die hellen Bereiche des Beugungsmusters auf einen Punkt fallen. Je genauer die Linse gearbeitet ist, desto schärfer wird dieser Röntgenfokus. Die Physiker erzeugten auf diese Weise einen Röntgenstrahl mit einem Durchmesser von 4,3 mal 4,7 Nanometern.

Mit diesem Röntgenstrahl können die Forscher bei Materialproben feinere Details als bisher auflösen. „Normalerweise kann man beispielsweise bei der Untersuchung der chemischen Zusammensetzung einer Probe nur Strukturen auflösen, die größer sind als der Strahl selbst. Vor diesem Experiment lag die Grenze noch bei etwa zwanzig Nanometern", erläutert Michael Sprung vom DESY.

Im nächsten Schritt wollen die Forscher die Leistungsfähigkeit der Linse weiterentwickeln und die Schichten dazu auf einer ultradünnen und extrem gleichförmigen Glasfaser aufbringen. Zudem planen sie, erste Nanostrukturen mit ihrem neuen, ultrafeinen Röntgenstrahl zu untersuchen. In Zukunft soll eine solche Linse dabei helfen, die Strahlung von Freie-Elektronen-Lasern zu fokussieren.