Ein Kamm aus Röntgenlicht

Mit Frequenzkämmen lassen sich Frequenzen eines Lichtspektrums präzise vermessen – bislang allerdings nicht im Röntgenbereich. Physiker vom Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg schlagen nun eine Methode vor, wie man auch in diesem Wellenlängenbereich einen Frequenzkamm erzeugen könnte: Sie wollen einen optischen Frequenzkamm auf einen ultrakurzen Röntgenlaserpuls aufprägen. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Forscher in der Fachzeitschrift „Nature Photonics“.

Frequenzkämme im optischen Bereich bestehen aus einer Serie von genau bekannten Lichtfrequenzen mit exakt gleichen Abständen und werden mit starken, gepulsten Lasern erzeugt. Um Frequenzkämme auch im Röntgenbereich zu erzeugen, betrachteten Stefano Cavaletto und seine Kollegen nun ein verdünntes Gas. In den darin enthaltenen Atomen lassen sich einzelne Elektronen durch einen Röntgenlaserpuls vom Grundzustand auf einen energiereicheren Zustand heben. Normalerweise würde so ein Elektron umgehend wieder in den Grundzustand zurückkehren und dabei ein Photon aussenden. Deshalb plant das Team wenig später einen optischen Laserpuls in das Gas zu schicken, wodurch die angeregten Elektronen in einen sogenannten metastabilen Zustand übergehen – hier kehren sie nicht sofort in den Grundzustand zurück. Ein optischer Frequenzkamm soll anschließend periodisch Teilchen aus dem metastabilen Zustand in den energiereicheren, strahlenden Zustand befördern, woraufhin das Gas eine Reihe von Röntgenpulsen aussendet. Das eingestrahlte Röntgenlicht und das emittierte Röntgenlicht überlagern sich, wodurch ein breiter Frequenzkamm entsteht.

Umsetzen ließe sich das bisher nur theoretische Konzept mit Freie-Elektronen-Lasern, die Laserlicht im Röntgenbereich liefern. Frequenzkämme im Röntgenbereich würden strenge Tests physikalischer Theorien und exakte Messungen fundamentaler Konstanten erlauben. Deshalb wird intensiv nach Verfahren gesucht, um solche Frequenzkämme zu erzeugen.