European XFEL fokussiert harte Röntgenpulse auf 180 Nanometer

Vier Reflexionen komprimieren Attosekundenlicht

Die Erzeugung ultrakurzer Pulse hochenergetischen Lichts ist in der modernen Röntgenforschung nur die halbe Miete. In einem im April 2026 am European XFEL durchgeführten Experiment lenkten Forschende harte Röntgenblitze mit einer geschätzten Dauer von 300 Attosekunden in ein spezielles optisches System, um deren Energie zu bündeln, wie ScienceDaily berichtet.

Das Team stützte sich auf eine hochentwickelte optische Kirkpatrick-Baez-Anordnung, bekannt als AKB-System. Diese Konfiguration nutzt zwei Präzisionsspiegel, die den Strahl entlang der horizontalen und vertikalen Achse über insgesamt vier Reflexionen umlenken und fokussieren. Indem der Strahl auf eine Fläche gebündelt wurde, die etwa 100.000-mal kleiner ist als der Querschnitt eines menschlichen Haares, erzeugte die Apparatur einen Brennfleck von 180 × 330 Nanometern. Die resultierende Energiekonzentration setzte einen neuen Maßstab für Fluenz und Intensität bei harter Röntgenstrahlung im Attosekundenbereich.

„Das ist ein Weltrekord bei Intensität und Fluenz für einen harten Röntgen-Attosekundenpuls.“

— Ichiro Inoue, Erstautor von der University of Tokyo

„Es grenzt fast an Magie zu sehen, wie dies geschieht. Normale Fluoreszenz geht in alle Richtungen, ungeachtet der Richtung des einfallenden Strahls. Doch sobald die ASE-Schwelle überschritten wird, sieht man, wie sich der Lichtkegel in Vorwärtsrichtung zu verdichten beginnt.“

— Anders Madsen, Gruppenleiter am MID-Instrument des European XFEL

Stimulierte Emission bestätigt extreme Leistung in Kupfer

Um die Strahldichte zu überprüfen, richteten die Wissenschaftler den Strahl am Instrument für Materialabbildung und -dynamik, bekannt als MID-Instrument, auf eine dünne Kupferfolie. Der einfallende Strahl schlug Elektronen direkt aus den innersten Schalen der Kupferatome heraus und hinterließ unbesetzte Kernzustände.

Wenn äußere Elektronen in diese Leerstellen fielen, setzten sie sekundäre Röntgenstrahlung frei. Bei gewöhnlicher Bestrahlung streut dieses Fluoreszenzlicht in alle Richtungen. Bei Spitzenintensitäten des Strahls von über 10²⁰ Watt pro Quadratzentimeter ging der Prozess in eine verstärkte Spontanemission über, die einen gerichteten Vorwärtsstrahl erzeugte. Als die Pulsenergien weiter anstiegen, erreichte dieses Emissionssignal schließlich eine Sättigung, was den berechneten Fokus unabhängig bestätigte.

Erfassung von Elektronenbewegungen vor dem Auftreten von Strahlenschäden

Die Beobachtung, wie sich Elektronen zwischen Atomen bewegen, erfordert Geschwindigkeiten, die höher sind als das Aufbrechen chemischer Bindungen. Ultrakurze Blitze ermöglichen es Forschenden, Materie zu untersuchen, bevor die einfallende Strahlung die molekulare Struktur verändert. Solche Präzisionsspiegelanordnungen stehen für jene Art physikalischer Erfindungen, die Fortschritten in Laboratorien der Hochenergiephysik zugrunde liegen.

Während industrielle Patente nur selten maßgeschneiderte Beamline-Optiken für Synchrotronanlagen abdecken, breitet sich das geistige Eigentum hinter der hochpräzisen Oberflächenfertigung kontinuierlich in der Halbleiterlithographie und der Messtechnik aus. Das Team der University of Tokyo und des Forschungszentrums DESY will den fokussierten Strahl nun nutzen, um nichtlineare Licht-Materie-Wechselwirkungen zu erforschen, die zuvor unzugänglich waren.

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