Laser für mehrfarbiges Röntgenlicht

Das intensivste Röntgenlicht erhalten Wissenschaftler derzeit aus Freie-Elektronen-Lasern, in denen extrem schnelle Elektronenpakete kurze Röntgenpulse aussenden. Bisher liefern diese Röntgenlaser Pulse mit einer einzigen Energie. Doch mit verschiedenen Energien könnten neue Materialien und physikalische oder biologische Prozesse noch genauer untersucht werden. In der Fachzeitschrift „Nature Photonics“ berichten nun Physiker in den USA über eine neue Methode, mit der sie das gewünschte mehrfarbige Röntgenlicht kontrolliert erzeugen konnten.

Graph auf dem die relative Energie gegen die Zeit aufgetragen ist. Gezeigt wird eine wellenartige zweidimensionale Struktur, in der unterschiedliche Schattierungen vorkommen.
Struktur eines verformten Elektronenpakets

„Erstmals konnten wir intensive, bis zu dreifarbige Röntgenpulse produzieren“, sagt Alberto Lutman vom SLAC National Accelerator Laboratory in Menlo Park. Um dieses Ziel zu erreichen, veränderte er mit seinen Kollegen den Aufbau des Freie-Elektronen-Lasers Linac Coherent Light Source. Durch die geschickte Anordnung von Magnetstrukturen konnten sie die Flugbahnen von Elektronenpaketen kontrolliert manipulieren. Dank dieser veränderten Flugbahnen sendeten die Elektronenpakete in kurzer Folge intensive Röntgenpulse mit verschiedenen Energien aus.

In diesem modifizierten Freie-Elektronen-Laser flogen fast bis auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigte Elektronenpakete zuerst an etwa zwei Meter langen Aluminiummodulen vorbei. Zwischen den Modulen wirkte ein Wellenfeld, mit dem die Elektronenpakete etwas aus ihrer idealen geraden Flugbahn abgelenkt wurden. Der vordere Teil des Elektronenpakets blieb dabei auf der geraden Flugbahn, der hintere Bereich wurde etwas von dieser entfernt. Danach flogen die verformten Elektronenpakete durch mehrere Meter lange, wechselnde Magnetfelder, die mit sogenannten Undulatoren erzeugt wurden. Diese Undulatoren lenkten die Elektronenpakete auf eine schlangenförmige Flugbahn.

Die geschlängelte Flugbahn bildet die Grundlage, um die Elektronenpakete zu einer sich selbst verstärkenden Aussendung von kurzen Röntgenlaserpulsen anzuregen. Auf ihr basiert der Lasereffekt der Freie-Elektronen-Laser. Da die Undulator-Magnetfelder nun entweder auf den vorderen oder den hinteren Bereich der Elektronenpakete angepasst waren, wurden Röntgenpulse mit jeweils verschiedenen Energien erzeugt. In die Flugbahn der Elektronenpakete ergänzten die Forscher weitere Magnete, die die Rolle einer Schikane auf einer Rennbahn übernahmen. Dadurch war es möglich, den Zeitabstand zwischen den Röntgenpulsen bis auf wenige Femtosekunden genau zu kontrollieren.

Mit solchen modifizierten Freie-Elektronen-Lasern können nun mehrfarbige Röntgenpulse in kurzen zeitlichen Abständen mit einer bisher unerreichten Intensität erzeugt werden. Dank dieser Eigenschaft eignen sie sich für die Analyse schneller physikalischer oder biologischer Prozesse und sogenannter Pump-Probe-Experimente.