Euroepan XFEL erzeugt extrem leistungsstarke Röntgenblitze

Durch einen technischen Trick können Forschende am European XFEL und DESY leistungsstarke Attosekunden-Röntgenpulse im Megahertz-Takt erzeugen. Ihre Erkenntnisse veröffentlichten sie jetzt in der Fachzeitschrift Nature Photonics.

Einem Team von Forschenden von European XFEL und DESY ist es gelungen, die Forschung mit Röntgenlicht einen großen Schritt voranzubringen: Sie können in einer Sekunde Millionen leistungsstarker Röntgenpulse erzeugen, die nur einige hundert Attosekunden lang sind. Eine Attosekunde ist der Milliardste Teil einer Milliardstel Sekunde (10-18) – eine Zeitskala, die es den Forschenden ermöglicht, schnellste Bewegungen – beispielsweise von Elektronen in Atomen oder Molekülen zu erfassen.

Dabei haben die Forschenden einzelne Röntgenpulse mit Energien von über 100 Mikrojoule nachgewiesen. Umgerechnet auf die Attosekundenzeitskala sind das kurzfristig Leistungen von über eintausend Watt. Das eröffnet Forschenden neue Möglichkeiten für die Untersuchung ultraschneller Dynamiken auf atomarer Ebene.

„Mit dieser einzigartigen Methode können wir schadensfreie Messungen von strukturellen und elektronischen Eigenschaften durchführen“, sagt Jiawei Yan, Physiker am European XFEL und Hauptautor der in Nature Photonics veröffentlichten Arbeit. „Dies ebnet den Weg für fortschrittliche Studien wie die Attosekunden-Kristallographie, mit der wir die elektronische Dynamik im realen Raum beobachten können.“

Herkömmliche Methoden zur Erzeugung ultrakurzer harter Röntgenpulse erforderten bislang eine drastische Reduzierung der Ladung in den Elektronenpaketen, was die Pulsenergie und den praktischen Nutzen begrenzte.

Das Team erreichte die hohen Werte, indem sie die Strahloptik eines speziellen Strahltransportsystems des European XFEL Röntgenlasers zu diesem Zweck optimierten. „Durch die Kombination ultrakurzer Pulse mit Megahertz-Wiederholraten können wir extrem schnell Daten sammeln und so Prozesse beobachten, die uns bisher verborgen blieben“, sagt Gianluca Geloni, Leiter der Gruppe „Freie Elektronen Laser“ am European XFEL. „Diese Entwicklung verspricht, die Forschung in vielen wissenschaftlichen Disziplinen zu verbessern, insbesondere bei Aufnahmen von Proteinmolekülen oder Materialien im atomaren Maßstab sowie bei der Untersuchung nichtlinearer Phänomene.“

Originalpublikation:

Terawatt-attosecond hard X-ray free-electron laser at high repetition rate, Jiawei Yan et al., Nature Photonics, DOI 10.1038/s41566-024-01566-0

https://www.xfel.eu/aktuelles/news/index_ger.html?openDirectAnchor=2522&two_columns=0