Der erste atomare Röntgenlaser

Eine neue Perpektive auf die Nanowelt: Freie-Elektronen-Laser entlockt Neongas besonders kurze und scharfe Röntgenpulse

Wie aus der Energie des Sonnenlichts in Pflanzen Zucker oder in Solarzellen Strom wird, dürfte sich künftig genauer beobachten lassen. Forscher des Hamburger Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) haben am kalifornischen Forschungszentrum SLAC den ersten Röntgenlaser auf Atom-Basis konstruiert. Mithilfe von Neonatomen erzeugten sie ultrakurze Röntgenblitze von einzigartiger Farbreinheit. Solche Laserpulse erlauben es etwa, den Ladungstransport bei der Fotosynthese mit atomarer Auflösung zu studieren, um ihn möglicherweise in technischen Systemen nachzuahmen. Auch über die elektronischen Prozesse in fotovoltaischen Elementen können Physiker mithilfe des atomaren Röntgenlasers mehr erfahren. Das könnte letztlich dazu beitragen, effizientere Solarzellen zu entwickeln.

Freie-Elektronen-Laser eröffnen Materialwissenschaftlern, Physikern und Biologen völlig neue Perspektiven. So können Forscher mit diesen Instrumenten erstmals Laserlicht im Röntgenbereich produzieren, um elektronische Prozesse oder chemische Reaktionen zu beobachten und die Struktur von Proteinen zu entschlüsseln, die sich gegen andere Methoden der Strukturaufklärung sperren. Doch selbst mit einem Röntgen-Freie-Elektronen-Laser (XFEL), wie er in einer Kooperation der Max-Planck-Gesellschaft, des Deutschen Elektronen-Synchrotrons DESY und der Universität Hamburg auch am CFEL entsteht, sind manche Untersuchungen schwierig oder gar unmöglich. Ein atomarer Röntgenlaser schafft hier Abhilfe.

„Ein atomarer Röntgenlaser erzeugt Laserlicht mit etwa 60-mal schärfer definierter Wellenlänge als ein Freie-Elektronen-Röntgenlaser, außerdem bleibt seine Wellenlänge völlig stabil, seine Pulse sind kürzer, und er weist ein glatteres Pulsprofil auf“, erläutert Nina Rohringer, Wissenschaftlerin der Max Planck Advanced Study Group am CFEL. Gemeinsam mit Kollegen des Lawrence Livermore National Laboratory und der Colorado State University hat die Physikerin den atomaren Röntgenlaser realisiert.

Ein Freie-Elektronen-Laser pumpt den atomaren Röntgenlaser

Dieser Laser erlaubt es mit seinen sehr kurzen und einfarbigen Pulsen nicht nur, elektronische Prozesse mit extrem hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung zu beobachten, also etwa zu verfolgen, wie ein Elektron bei der Fotosynthese durch das beteiligte Molekül hüpft. „Mit einem solchen Laser können wir auch nicht-lineare Effekte studieren“, sagt Nina Rohringer. So könnten die Forscher damit die optischen Eigenschaften so manipulieren, dass sich Licht darin nur noch mit dem Tempo eines Dauerläufers bewegt. Das wiederum ist nicht nur für Physiker ein spannender Effekt, sondern könnte sich auch in der Fotonik als nützlich erweisen, die elektronische Bauteile mit Licht betreibt.

Obwohl der atomare Röntgenlaser dem Freie-Elektronen-Laser in manchen Eigenschaften überlegen ist, hat auch dieser überzeugende Vorzüge. So strahlt der FEL intensiveres Laserlicht aus und deckt ein breiteres Wellenlängen-Spektrum ab. Und: Der Röntgenlaser von Nina Rohringer und ihrem Team würde ohne einen Freie-Elektronen-Laser nicht funktionieren. Denn die Forscher pumpen mit diesem die notwendige Energie in Neonatome, damit in dem Edelgas Laserlicht entsteht. Zu diesem Zweck nutzten Nina Rohringer und ihre Kollegen den Freie-Elektronen-Laser LCLS am SLAC National Accelarator Laboratory im kalifornischen Menlo Park.

Ionisierte Neonatome senden kurze Röntgenpulse aus

In Freie-Elektronen-Lasern werden Elektronen per Teilchenbeschleuniger bis nahe der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und mit starken Magneten auf einen gezielten Schlingerkurs gebracht. Dabei erzeugen sie laserartige Strahlung im Röntgenbereich. Im Gegensatz dazu basieren traditionelle optische Laser auf der Strahlung von Atomen, die zum Leuchten angeregt werden. Dieses Leuchten verstärkt sich im Lasermedium selbst. Das war bislang im Röntgenbereich nicht möglich, weil die Anregung der Atome in diesem Bereich sehr intensive Strahlung erfordert. Das Team um Rohringer hat mithilfe der LCLS nun den ersten Röntgenlaser auf Atom-Basis realisiert – mehr als 40 Jahre, nachdem die ursprüngliche Idee für ein solches Gerät erstmals veröffentlicht wurde.

Die Forscher schickten den 40 bis 80 Femtosekunden (eine Femtosekunde ist ein Billiardstel einer Sekunde) kurzen Röntgenpuls der LCLS durch eine Zelle mit sehr dichtem Neongas. Der Röntgenstrahl fraß sich dabei eine schmale Schneise durch das Gas, entlang derer er die Neonatome ionisierte. Das heißt, dass er jeweils ein inneres Elektron aus den Neonatomen herausschlug. Von den übrigen äußeren Elektronen der Atome rutschte daraufhin nach kurzer Zeit je eines nach innen und sandte dabei einen Röntgenpuls aus.

Nach dem Laser-Prinzip der Selbstverstärkung animierte dieser Puls das nächste Atom zu einem Röntgenpuls, so dass sich die zahlreichen Pulse zu einem Röntgen-Laserblitz überlagerten. Die Wellenlänge dieses Röntgenlichts lag bei 1,46 Nanometern (millionstel Millimetern). Zum Vergleich: Die meisten angewandten Laser im optischen Bereich haben eine Wellenlänge von 800 Nanometern. Die Wellenlänge bestimmt die Größe der Details, die sich in dem jeweiligen Licht noch erkennen lassen.