Freie Bahn für Elektronen verbessert die Erzeugung weicher Röntgenstrahlung

Die Suche nach hellen Attosekunden-Pulsen

Physiker der ETH Zürich haben beim Erzeugen von Impulsen aus weicher Röntgenstrahlung mit Elektronen etwas Interessantes entdeckt: Wenn Elektronen in ihrer Bewegungsfreiheit behindert werden – zum Beispiel durch Zusammenstösse mit benachbarten Atomen –  leidet die Qualität der Pulse erheblich.

Diese Röntgenstrahlen haben ähnliche Eigenschaften wie Laserstrahlen, können aber noch kürzere Pulse bilden. Um die schnellste Dynamik in der Materie zu untersuchen, müssen die Pulse so hell und so kurz wie möglich sein. Wird die Bewegung der Elektronen behindert, verliert das Licht seine laserähnlichen Eigenschaften und seine Bündelung zu Attosekunden-Pulsen. Dies macht das Licht einer solchen Quelle für die Untersuchung ultraschneller Prozesse unbrauchbar.

Laserähnliche weiche Röntgenstrahlung

In einem extrem nichtlinearen Prozess – der Erzeugung sogenannter Hoher Harmonischer, einem Phänomen der Hochintensitätslaserphysik – können Attosekunden-Pulse im extremen Ultraviolett oder in weicher Röntgenstrahlung erzeugt werden. Herkömmliche Quellen in diesen Spektralbereichen emittieren Licht in alle Richtungen, was zu einer geringen Helligkeit der Röntgenstrahlung führt. Hohe Harmonische erzeugen hingegen durch Wechselwirkung intensiver Pulse mit Gasatomen einen laserähnlichen Strahl.

Ein Atom, ein Elektron, und das war's!

Der Prozess der Erzeugung hoher Harmonischer wurde vor etwa 30 Jahren erstmals mit einem Modell erklärt [2]. Diese sehr erfolgreiche Theorie beschreibt lediglich ein Atom und ein Elektron und geht implizit davon aus, dass die Bewegung des laserbeschleunigten Elektrons am Ursprung des Röntgenstrahls nicht durch andere Teilchen im Gas behindert wird. Wie nun in einer neuen in der Zeitschrift «Optica» veröffentlichten Studie festgestellt worden ist, entspricht das jedoch nicht den Bedingungen, wie sie mit heutigen Lasern bei der Erzeugung weicher Röntgenstrahlung via Hoher Harmonischer in der Regel auftreten.

Ein Gedränge von Atomen

Pierre-Alexis Chevreuil, ehemaliger Doktorand am Institut für Quantenelektronik der ETH Zürich und seine Mitautoren zeigen in der Studie experimentell, dass diese «Einzelkollisionsbedingung» im weichen Röntgenlicht nicht mehr gilt. Am Ursprung des Röntgenstrahls werden die Elektronen durch benachbarte Atome im Gas gestört. Dies führt zu einer Abnahme der Helligkeit des Röntgenstrahls und zu einem Verlust der laserähnlichen Eigenschaften. Die Autoren gehen auch davon aus, dass die Röntgenstrahlung in diesem Fall nicht mehr in Form von Attosekunden-Pulsen emittiert wird, wie dies beim Prozess der Erzeugung Hoher Harmonischer sonst eigentlich der Fall wäre.

Die Forscher zeigen gleichzeitig auch auf, unter welchen Bedingungen sich die gewünschten Eigenschaften der Strahlung wieder herstellen lassen. Mit dieser Erkenntnis machen sie den Weg frei, die Qualität der Lichtimpulse, die für die Grundlagenforschung zu sehr schneller Dynamik in der Materie notwendig sind, deutlich zu verbessern.