Optimierte Röntgenstrahlung als Werkzeug für die Nanowelt

Stanford (USA)/Hamburg - Um die winzigen Strukturen der Nanowelt zu erkunden, sind hochpräzise Lichtquellen nötig. Die Strahlen herkömmlicher Röntgenlaser sind bislang kaum fein genug, um gestochen scharfe Bilder von einzelnen Atomen und chemischen Reaktionen zu liefern. Jetzt allerdings gelang US-Forschern, den Röntgenstrahl einer großen Beschleunigerquelle so zu fokussieren, dass sie quasi von der Schärfe eines Beils zu der eines Skalpell wechselten. Sie nutzten dazu eine Methode namens „Self-Seeding“, um den Strahl ohne Intensitätsverlust auf einen schmalen Wellenlängenbereich zu begrenzen. Das erfolgreiche Experiment ist das Ergebnis weltweiter Lösungsfindung, schreiben die Forscher im Fachblatt „Nature Photonics“. Die Idee stammt aus Deutschland, der Filter aus Russland und mittlerweile sind Wissenschaftler aus aller Welt dabei, die neue Methode auch an ihren Röntgenlaser-Beschleunigerzentren zu integrieren.

„Wir waren überrascht, als wie einfach, robust und kosteneffektiv sich die technische Seite entpuppte, als wir die Idee umsetzten“, berichtet Jerry Hastings vom Nationalen Beschleunigerlabor der USA (SLAC): „Über Self-Seeding sprechen Forscher seit beinah 15 Jahren und die Methode, die wir nutzten, wurde 2010 von Forschern des Europäischen Röntgenlasers XFEL und des Forschungszentrums DESY in Deutschland vorgeschlagen.“ Auch im SLAC steht ein Freie-Elektronen-Laser mit Licht im Röntgenbereich (XFEL). Unter dem Namen Linac Coherent Light Source (LCLS) schickt ein Teilchenbeschleuniger Elektronen bis nahe Lichtgeschwindigkeit in eine 130 Meter lange Reihe starker Magnetfelder, die die Teilchen kontrolliert im Zickzack schlingern lassen. Dadurch geben sie Strahlung im Röntgenbereich ab, die – im Beschleuniger selbst verstärkt – allerdings noch aus unterschiedlichen Wellenlängen zusammensetzt.

Während unerwünschte Bereiche bislang nur herausgefiltert werden und sich die Strahl-Intensität damit abschwächt, testeten die Forscher nun die neue Idee. Um den Wellenlängenbereich einzuengen, setzten die Forscher zunächst etwa in die Mitte der Magnetstrecke eine dünne Diamantscheibe aus Russland, die als sogenannter Monochromator nur Röntgenstrahlung einer schmalen Bandbreite von 0,4 - 0,5 Elektronenvolt bei 8 - 9 Kiloelektronenvolt zuließ. Dann verstärkten sie gezielt die Strahlung in der zweiten Hälfte der Magnetstrecke – der Prozess namens „Self-Seeding“, eine „Impfung von innen“, liefert damit einen Energie reichen Röntgenstrahl, auf eine einzige Lichtfarbe fokussiert wie auch bei optischen Lasern.

„Je mehr Kontrolle man hat, desto feiner die Details, die zu sehen sind“, erklärt Hastings. Die neue Methode hat demnach das Potenzial, dem LCLS Röntgenstrahlung mit deutlich höherer Intensität als bisher zu entlocken. Mit solchen Pulsen ließe sich tief in komplexe Materialien hineinschauen, etwa um Hochtemperatur-Supraleiter oder die empfindlichen elektronischen Zustände in speziellen, topologischen Isolatoren zu untersuchen. Ko-Autor Zhirong Huang ergänzt: „Die Pulse könnten einmal bis zu zehn Mal mehr Intensität haben, wenn wir das System optimiert haben und mehr Undulatoren (die ablenkende Magnetbank) hinzufügen.“