Röntgenpulse aus UV-Licht

Physiker benötigen für die Erzeugung von intensiver Röntgenstrahlung nicht immer eine Röntgenröhre oder riesige Synchrotron-Beschleuniger. Auch mit intensiven, ultravioletten Laserpulsen lässt sich über die Anregung von Edelgasionen kurzwelliges Röntgenlicht erzeugen. Dieses Verfahren konnte nun eine internationale Forschergruppe weiter optimieren. Wie die Wissenschaftler aus Spanien, Taiwan und den USA in der Fachzeitschrift „Science“ berichten, könnten damit neuartige Lichtquellen für hochaufgelöste Aufnahmen selbst schneller molekularer Prozesse möglich werden.

„Die Bandbreite der durch UV-Pulse erzeugten Röntgenstrahlen ist ideal für technologische und wissenschaftliche Anwendungen, wie etwa bildgebende Verfahren mit sehr hoher räumlicher Auflösung“, sagt Tenio Popmintchev von der University of Colorado in Boulder. Für dieses Ergebnis lenkte der Forscher zusammen mit seinen Kollegen intensive und extrem kurze Laserpulse mit einer UV-Wellenlänge von 270 Nanometern auf einen dünnen bis 15 Millimeter langen Hohlraum, der mit dem Edelgas Argon gefüllt war. Mit einer Pulsenergie von 2,6 Millijoule erreichter das Laserlicht im Fokus die extrem hohe Intensität von über sechs Billiarden Watt pro Quadratzentimeter.

Dank dieser auf kleinsten Raum gebündelten Strahlungsleistung ließen sie die Argonatome effizient ionisieren. Bis zu sechs Elektronen konnten aus ihren Umlaufbahnen um den Atomkern geschossen werden. Diese mehrfach positiv geladenen und durch UV-Licht angeregten Ionen konnten aber auch einzelne Elektronen wieder einfangen und sendeten dabei Lichtpulse im weichen Röntgenbereich mit Wellenlängen von 13 Nanometern und kürzer aus. Physiker sprechen hier von der Erzeugung Hoher Harmonischer. Zur Überraschung der Wissenschaftler glichen sich die Phasen des ultravioletten Laserlichts und der erzeugten Röntgenpulse aneinander an. Dies hatte einen Einfluss auf die Dauer der Röntgenpulse, die nur gut 100 Attosekunden, dem milliardstel Teil einer milliardstel Sekunde, betrug.

Mit diesen Eigenschaften könnten sich die kurzen Röntgenpulse zur Analyse von schnellen elektronischen Prozessen in Atomen und Molekülen eignen. Solche Versuche ermöglichen heute schon Freie-Elektronen-Laser (FEL) mit weitaus höherer Intensität. FLASH in Hamburg etwa erzeugt pro Sekunde rund hunderttausend mal mehr Photonen. Doch böte die Erzeugung von Röntgenlicht über UV-Laser eine deutlich kleinere und damit günstigere Alternative.