Ein neuer Referenzwert für die ultraschnelle Röntgenwissenschaft
Forscher an der Linac Coherent Light Source (LCLS) im SLAC National Accelerator Laboratory des US-Energieministeriums haben die bislang kürzesten aufgezeichneten hochenergetischen Röntgenpulse an einem Freie-Elektronen-Röntgenlaser gemessen. Die berichteten Pulse hatten Photonenenergien von etwa 9 Kiloelektronenvolt und dauerten 100 bis 400 Attosekunden.
Eine Attosekunde ist ein Milliardstel eines Milliardstels einer Sekunde. Auf dieser Zeitskala wollen Forscher extrem schnelle Prozesse in Materie untersuchen, darunter die Bewegung von Elektronen. Die Ergebnisse wurden in Nature Photonics veröffentlicht.
Die Bedeutung des Ergebnisses liegt nicht nur in der Pulsdauer, sondern auch darin, dass das Team sie messen konnte. Laut dem SLAC-Forscher und Studienautor Agostino Marinelli war die Erzeugung hochenergetischer Röntgenpulse im Attosekundenbereich über mehrere Jahre erlernt worden; nachzuweisen, dass die Pulse nur wenige hundert Attosekunden lang waren, sei die schwierigere Aufgabe gewesen.
Harte Röntgenstrahlen verbinden Geschwindigkeit und Durchdringung
Das Experiment konzentrierte sich auf harte beziehungsweise hochenergetische Röntgenstrahlen. Die Pulse mit etwa 9 keV sind energiereich genug, um tief in atomare Systeme vorzudringen, und zugleich kurz genug, um die Elektronenbewegung auf ultraschnellen Zeitskalen zu erfassen. Diese Kombination macht sie für Experimente relevant, die Materie auf ihren kleinsten und schnellsten Skalen untersuchen wollen.
Bei einem Freie-Elektronen-Röntgenlaser reichen kurze Pulse allein nicht aus, um eine nutzbare wissenschaftliche Fähigkeit zu etablieren. Forscher benötigen eine Möglichkeit, Energie, Spektrum, Form und Dauer des Pulses zu charakterisieren. Ohne eine solche Diagnostik kann ein ultrakurzer Puls nicht mit der für Experimente mit präziser Zeitsteuerung erforderlichen Sicherheit bestätigt werden.
Fluoreszenz als Pulsdiagnostik
Der Erstautor der Studie, Ichiro Inoue von der Universität Tokio, schlug einen indirekten Messansatz vor, der auf verstärkter spontaner Emission, kurz ASE, basiert. ASE tritt auf, wenn ein stark fokussierter Röntgenpuls ein Material anregt und es dazu bringt, in Vorwärtsrichtung zu fluoreszieren. Informationen über den ursprünglichen Röntgenpuls sind in dieser emittierten Fluoreszenz enthalten.
Im LCLS-Experiment erzeugte das Team einen Strahl, der vermutlich Attosekunden-Röntgenstrahlung enthielt. Ein Teil des Strahls wurde zu einem Detektor geleitet, der seine Energie und spektrale Form maß. Der verbleibende Strahl wurde auf einen nur 150 Nanometer breiten Punkt auf einer Kupferfolie fokussiert. Diese Wechselwirkung erzeugte ASE, die von einem zweiten Detektor erfasst wurde.
Durch die Kombination des Fluoreszenzsignals mit den Messungen des ursprünglichen Strahls konnten die Forscher Eigenschaften des Röntgenpulses, einschließlich seiner Dauer, ableiten. Die Diagnostik lieferte Hinweise darauf, dass die harten Röntgenpulse im Bereich von 100 bis 400 Attosekunden lagen.
Warum die Messung wichtig ist
Die Forschung mit ultrakurzen Pulsen hängt davon ab, das Zeitmessinstrument auf das untersuchte Ereignis abzustimmen. Elektronenbewegungen können sich wesentlich schneller vollziehen als chemische Veränderungen, die auf längeren Zeitskalen sichtbar sind. Ein Puls von wenigen hundert Attosekunden kann prinzipiell ein deutlich schärferes Zeitfenster bieten als längere Röntgenblitze.
Die nun demonstrierte Diagnostik erweitert daher die Erzeugung harter Attosekunden-Röntgenstrahlung um eine wichtige praktische Fähigkeit. Statt sich auf eine Annahme über die Pulsdauer zu stützen, können Forscher prüfen, ob der Strahl die für ein ultraschnelles Experiment erforderlichen Eigenschaften besitzt.
Die Arbeit zeigt außerdem die Rolle experimenteller Methoden bei der Weiterentwicklung wissenschaftlicher Instrumente. Der gemeldete Rekord beruht auf der Kombination aus Strahlerzeugung, Fokussierung im Nanometermaßstab, einem Kupfertarget und zwei sich ergänzenden Messungen. Jedes Element war erforderlich, um aus einem ultraschnellen Strahl ein messbares Ergebnis zu machen.
Wie es weitergeht
Der Ausgangsartikel beschreibt die Pulse als wertvoll für Arbeiten auf den kleinsten und schnellsten Skalen. Diese Einordnung weist auf Studien hin, bei denen hochenergetische Röntgenstrahlen atomare Systeme untersuchen und eine Attosekunden-Zeitauflösung schnelles elektronisches Verhalten sichtbar machen kann. Das berichtete Ergebnis beschreibt nicht selbst ein bestimmtes Material oder einen bestimmten Prozess, der mit den neuen Pulsen beobachtet wurde; es etabliert und bestätigt vielmehr die Pulsfähigkeit.
Für LCLS und das breitere Forschungsfeld der Freie-Elektronen-Röntgenlaser stellt der Fortschritt einen neuen Messreferenzwert dar: harte Röntgenpulse mit Photonenenergien nahe 9 keV und einer Dauer von bis zu 100 Attosekunden, bestätigt durch eine ASE-basierte Diagnostik. Künftige Experimente können auf dieser Grundlage aufbauen, wenn sie sowohl die Durchdringungsfähigkeit harter Röntgenstrahlen als auch die zeitliche Auflösung der Attosekundenwissenschaft benötigen.
Wichtige Punkte
- LCLS maß harte Röntgenpulse mit einer Dauer von 100 bis 400 Attosekunden.
- Die Pulse hatten Photonenenergien von etwa 9 keV.
- Das Team nutzte verstärkte spontane Emission aus einer Kupferfolie als indirekte Diagnostik.
- Die Studie wurde in Nature Photonics veröffentlicht.
Dieser Artikel basiert auf einer Berichterstattung von Phys.org. Originalartikel lesen.
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