Starke Strahlung: Physiker bauen Röntgenlaser in Tischgröße

Wien (Österreich) – Physiker auf der ganzen Welt können sich möglicherweise auf einen neuartigen Laser für ihre Analysen freuen: In einem Wiener Labor konnten aus Wärmestrahlung tausendfach energiereichere Röntgenpulse erzeugt werden. Ein Team von Instituten aus Österreich, Spanien und den USA schuf damit einen erstaunlich kleinen Röntgenlaser, der nicht mehr auf die hunderte Meter langen Teilchenbeschleuniger von Synchrotronzentren angewiesen ist. Wie die Wissenschaftler in der Zeitschrift „Science“ berichten, könnte die neue Lichtquelle in vielen Bereichen von der Medizin bis zur Materialforschung genutzt werden.

„Röntgenstrahlung ermöglicht höchst präzise Spektroskopie, die man für die Erforschung von Materialien, für die Weiterentwicklung von Elektronik oder zur Analyse von Biomolekülen einsetzen kann“, sagt Audrius Pugzlys von der Technischen Universität Wien. Für den neuen Röntgenlaser griff Pugzyls mit seinen Kollegen auf den weltweit leistungsstärksten Infrarotlaser zurück, der für winzige Bruchteile einer Sekunde Leistungen von 100 Gigawatt erreicht. Diese Wärmestrahlung mit einer Wellenlänge von 3900 Nanometern schickten sie in eine Hochdruckzelle, die mit dem Edelgas Helium gefüllt war.

Mit ihrer hohen Intensität konnten die Infrarotpulse Elektronen aus ihren Bahnen um die Heliumkerne schießen und durch die Wärmestrahlung weiter beschleunigen. Darauf kehrten diese schnellen Elektronen wieder zu ihren Plätzen im Heliumatom zurück. Bei diesem Prozess sendeten sie ihre überschüssige Energie in Form eines breiten Strahlungsspektrums vom extremen ultravioletten (EUV) bis in den Röntgenbereich aus. Nach den Schätzungen der Physiker musste dabei die Energie von 5000 Infrarotlichtteilchen auf ein einziges Röntgenphoton übertragen werden.

Theoretische Simulationen und die geschickte Kontrolle von Infrarotlaser und Heliumgaszelle ermöglichten es schließlich, die energiereichen Röntgenwellen im Gleichtakt schwingen zu lassen. Das ist die Grundlage für die sogenannte kohärente Strahlung, die Laser aussenden können. „Bisher haben wir Röntgenwellenlängen von bis zu 0,77 Nanometern erreicht, und wir wissen nicht, wo die Grenzen liegen werden“, sagt Tenio Popmintchev von der University of Colorado in Boulder, Hauptautor der Studie.

So könnten nun in weiteren Versuchen noch energiereichere Röntgenlaserpulse erzeugt werden. Auch an einer Steigerung der Strahlungsintensität arbeiten die Physiker. Ihr Ziel ist ein Röntgenlaser, der prinzipiell in jedes kleine Physiklabor rund um den Globus passen und so die Untersuchung von extrem schnellen Prozessen in Molekülen oder neuen Werkstoffen wesentlich erleichtern könnte.