Einzelpulse aus Synchrotronlicht

Physiker haben an der Photonenquelle BESSY II in Berlin ein neues Verfahren entwickelt, um einzelne Röntgenpulse gezielt aus den Strahlenbündeln von Synchrotronlicht herauszupicken. Damit können sie Materialien nun mit einer speziellen Methode der Elektronenspektroskopie untersuchen, die die Flugzeit der Elektronen berücksichtigt. Solche Messungen waren bisher nur an zwei Wochen im Jahr möglich, wenn der Betrieb auf extrem kurze Pulse umgeschaltet wurde. Mit dem neuen Verfahren lassen sich die elektrischen und magnetischen Eigenschaften von Supraleitern, Graphen und anderen Quantenmaterialien präziser vermessen, berichten die Forscher in der Fachzeitschrift „Nature Communications“.

Das neue Verfahren basiert auf der magnetischen Anregung bestimmter transversaler Schwingungen in einem einzelnen Elektronenpaket, das eine spezielle Anordnung von Magneten, die sogenannten Undulatoren, durchquert. Während seines Fluges wird es auf einen Slalomkurs gezwungen und sendet einen kegelförmigen Röntgenstrahl aus. Die selektive Anregung macht diesen Strahlungskegel jedoch breiter als bei den anderen, nicht-angeregten Elektronen. Durch eine Art „Beule“ im Elektronenstrahl gelang es den Forschern, die reguläre Undulatorstrahlung auszublenden, sodass nur noch das Licht des einen angeregten Elektronenpakets an der Experimentierstation ankommt. Dort lassen sich dann Messungen mit einem Flugzeitspektrometer durchführen – eine Methode der Elektronenspektroskopie, die die Flugzeit der Elektronen mit berücksichtigt.

„Wir haben das Verfahren des Pulse-Picking by Resonant Excitation (PPRE) entwickelt, weil eine große Nutzer-Community solche einzelnen Pulse braucht, um Quantenmaterialien wie zum Beispiel Graphen oder topologische Isolatoren noch eingehender zu untersuchen. Denn gerade durch die extrem hochaufgelöste Elektronenspektroskopie können die Bandstrukturen dieser Materialien noch präziser vermessen werden“, erklärt Erstautor Karsten Holldack vom Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie. Auch für die Forschung an Supraleitern, magnetischen Materialien und Katalysatoren würden sich die kurzen Pulse eignen. Erste Tests verliefen erfolgreich: Die Nutzer konnten zwischen dem vollen Photonenfluss und dem Einzelpuls umschalten, ohne andere Einstellungen an den Instrumenten und ihren Proben zu verändern. Parallel kann BESSY II im Normalbetrieb weiterhin einen hohen Fluss an Photonen an die anderen Experimente liefern, ohne dass ein Umschalten erforderlich wäre.

Um die Struktur von Materialien und die darin ablaufenden Prozesse zu untersuchen, werden immer hellere und brillantere Synchrotronlichtquellen gebaut. Für die Elektronenspektroskopie kann zu viel Licht jedoch zum Problem werden: Wenn das auftreffende Röntgenlicht zu intensiv ist und zu viele Elektronen aus den Atomhüllen herausschlägt, kann es zu sogenannten Raumladungseffekten kommen. Bestimmte Materialparameter entziehen sich dann der Beobachtung. Das hier vorgestellte Verfahren bereitet den Weg für Speicherringe, bei denen Forscher in Zukunft die benötigte Pulslänge frei bestimmen können.