Standort: science.ORF.at / Meldung: "Ein "Supermikroskop" für den Schreibtisch"

Durch ein Doppelspaltexperiment kann gezeigt werden, dass die Röntgenstrahlung kohärent ist - dass also die einzelnen Photonen quantenmechanisch gemeinsame Zustände annehmen wie Laserlicht.

Ein "Supermikroskop" für den Schreibtisch

Wissenschaftler der Technischen Universität Wien entwickelten in einem internationalen Forscherteam eine kompakte Quelle für laser-ähnliches Röntgenlicht. Sie ist nur so groß wie ein Schreibtisch und erzeugt Licht mit Wellenlängen von Ultraviolett bis in den Röntgenbereich. Die neue Quelle stellt eine Alternative zu den riesigen Synchrotronen dar.

Technologie 08.06.2012

Kleine Objekte beobachten

Synchrotrone wie die European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) gelten als "Supermikroskope", ihre intensive Röntgenstrahlung ermöglicht die Aufklärung kleinster Strukturen - mit einem Nachteil: Es handelt sich um riesige Einrichtungen. In Europas stärkster Röntgenquelle ESRF in Grenoble (Frankreich) werden in einem 850 Meter langen Speicherring Elektronen beschleunigt.

Dabei entsteht eine intensive Strahlung, die vom infraroten bis in den Röntgenbereich reicht. Vor allem die extrem kurzen Wellenlängen des Röntgenlichts sind interessant: Je kleiner die Wellenlänge, desto kleinere Objekte kann man beobachten. Dazu wird gemessen, wie stark die Röntgenstrahlen an den Atomen des Objektes gebeugt werden, woraus sich die innere Struktur des untersuchten Objekts berechnen lässt. Dies macht man sich in der Material- oder biologischen Forschung zunutze.

Licht-Oberschwingungen

Die Forscher der TU Wien haben nun gemeinsam mit ihren Kollegen eine kompakte Quelle für kohärentes, laser-ähnliches Licht in einer Wellenlänge zwischen Ultraviolett bis Röntgen entwickelt. Sie nutzten dazu eine aus den 1960er Jahren stammende Idee, zwei oder mehrere niederenergetische Photonen in ein Photon mit höherer Energie umzuwandeln. Im konkreten Experiment wird aus mehr als 5.000 Infrarot-Photonen ein hochenergetisches Röntgen-Photon hergestellt.

Verwendet wird dazu eine in den 1980er Jahren entwickelte Methode, die "Hohe Harmonische". Dabei werden extrem intensive Infrarot-Laserpulse auf ein Edelgas geschossen. Dadurch werden die Elektronen der Gasatome aus ihrem angestammten Platz gerissen, schnellen aber wie von einem Gummiband gehalten wieder auf diesen Platz zurück. Ihre dabei gewonnene Energie geben sie in Form kurzwelliger (Röntgen)-Strahlung wieder ab. "So wie eine Gitarrenseite Obertöne von ihrem Grundton erzeugt, wenn man sie hart anschlägt, kann ein Atom Oberschwingungen von Licht emittieren, wenn es stark von einem Laserpuls getroffen wird", erklärt Henry Kapteyn, einer der beteiligten Wissenschaftler von der University of Colorado.

Laser-artige Röntgenstrahlung

Den Forschern ist es nun gelungen, mit der neuen Quelle kohärente Röntgenimpulse mit höherer Energie und höherer Intensität zu erzeugen als dies bisher möglich war. Voraussetzung dafür waren einerseits neueste Entwicklungen von Lasern im mittleren Infrarot an der TU Wien, die mehr Energie für die Röntgen-Photonen zur Verfügung stellen. Um die Atome in der notwendigen Härte anzustoßen, ist eine Spitzenleistung des Lasers von mehr als 100 Gigawatt erforderlich. Diese Leistung, die jener von Hunderten Wasserkraftwerken entspricht, steht allerdings nur für die Dauer eines Laserpulses zur Verfügung, und die liegt in der Größenordnung von Femtosekunden (Billiardstel Sekunden). Die zweite Voraussetzung war die Entwicklung einer raffinierten Technik durch die US-Forscher, mit der alle Atome des Gases im Gleichtakt Röntgenphotonen erzeugen, sodass eine laser-artige Röntgenstrahlung entsteht.

"Auch wenn unser Verfahren vor allem hinsichtlich des Photonenflusses und der maximalen Photonen-Energie nicht mit einem Synchrotron konkurrieren kann, steht nun eine kompakte Röntgenquelle mit großem Potential für Experimente in Gebieten von der Materialwissenschaft bis zur Molekularbiologie zur Verfügung", erklärte Audrius Pugzlys vom Institut für Photonik der TU Wien im Gespräch mit der APA. "Außerdem sind unsere Röntgenimpulse deutlich kürzer und wesentlich besser fokussierbar als die derzeit kürzesten Synchrotron-Impulse, was Anwendungsmöglichkeiten in der zeitaufgelösten Röntgenspektroskopie erlaubt." Derzeit arbeitet die TU-Gruppe daran, die Impulsrate des Lasers von 20 Impulsen pro Sekunde auf 1000 zu erhöhen. Dadurch könnte der Röntgen-Photonenfluss und damit die Leistungsfähigkeit der Quelle enorm angehoben werden.

science.ORF.at/APA

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