Zeitlicher Verlauf von Röntgenblitzen direkt bestimmt

Mit ultrakurzen Röntgenblitzen, wie sie an Freie-Elektronen-Lasern erzeugt werden, gelingen Wissenschaftlern völlig neue Einblicke in den Nanokosmos – etwa in Biomoleküle. Um nicht nur die räumliche sondern auch die zeitliche Auflösung weiter zu verbessern, müssen Dauer und Intensität des Röntgenblitzes genau bekannt sein. In der Fachzeitschrift „Nature Photonics“ stellen Wolfram Helml von der TU München und seine Kollegen nun eine Methode vor, mit der sich solche ultrakurzen Pulse präzise vermessen lassen.

In der Vakuumkammer

Am Beschleunigerzentrum SLAC National Accelerator Laboratory in Kalifornien schickten die Wissenschaftler intensive Röntgenpulse in eine mit wenigen Edelgasatomen gefüllte Vakuumkammer und überlagerten sie dort mit infraroten Lichtpulsen. Trafen nun Röntgenblitze auf die Gasatome, wurden Elektronen aus der kernnächsten Schale der Atomhülle herausgeschlagen und freigesetzt. Dieser Prozess fand über die gesamte Dauer eines Röntgenpulses statt. Derweil veränderte sich allerdings die elektrische Feldstärke des periodisch schwingenden infraroten Lichtfeldes, wodurch die herausgelösten Elektronen teils abgebremst und teils beschleunigt wurden. Aus den unterschiedlichen Ankunftszeiten der Elektronen an einem Detektor schlossen die Physiker schließlich auf die Dauer der ursprünglichen Röntgenblitze zurück: Im Schnitt sind die Pulse nicht länger als 4,5 Femtosekunden – eine Femtosekunde ist ein Millionstel einer milliardstel Sekunde –, so das Ergebnis.

Zudem konnten Helml und sein Team auch die Struktur der Röntgenblitze direkt messen. Es war bereits bekannt, dass ein typischer Röntgenpuls aus mehreren zusammenhängenden „Röntgenspitzen“ besteht, deren genaue Anzahl und Intensität von Schuss zu Schuss variieren. Die Forscher fanden nun heraus, dass diese ultrakurzen Spitzen gerade einmal rund achthundert Attosekunden dauern – eine Attosekunde ist ein Milliardstel einer milliardstel Sekunde. Dieses Resultat steht im Einklang mit früheren Vorhersagen. Die neue Methode ergänzt Verfahren, die Pulsform und -länge indirekt aus der Struktur der Elektronenpakete zu bestimmen, mit deren Hilfe die einzelnen Röntgenblitze in Beschleunigern erzeugt werden.