Der Röntgenlaser LCLS in Kalifornien erzeugt harte Röntgenblitze, die nur 100 bis 400 Attosekunden dauern. Das sind die kürzesten energiereichen Röntgenpulse, die je an einem Röntgen-Freie-Elektronen-Laser gemessen wurden. Bisher ließ sich ihre Dauer nur aus Modellrechnungen erschließen, nun hat ein internationales Team sie mit einer Kupferfolie als Stoppuhr experimentell bestätigt. Mit solchen Blitzen lässt sich die Bewegung von Elektronen tief im Inneren von Atomen und in dichten Plasmen verfolgen, bevor die Strahlung selbst die Probe verändert. Die Messung ist allerdings indirekt und gelingt bisher nur für einen Teil der Pulse.
Der Röntgenlaser Linac Coherent Light Source, kurz LCLS, steht am SLAC National Accelerator Laboratory des US-Energieministeriums in Menlo Park in Kalifornien. Er erzeugt Röntgenlicht mit Elektronen, die zuvor in einem Linearbeschleuniger auf nahezu Lichtgeschwindigkeit gebracht werden. Ein Team um den Physiker Ichiro Inoue von der Universität Tokio und den SLAC-Forscher Agostino Marinelli hat dort Röntgenpulse mit einer Photonenenergie von etwa 9 Kiloelektronenvolt vermessen. Ihre Dauer lag zwischen 100 und 400 Attosekunden und schwankte von Puls zu Puls. An der Arbeit waren außerdem Forscher der Stanford University, des japanischen Forschungszentrums RIKEN SPring-8, der Universität Osaka, der University of Wisconsin-Madison sowie des Center for Free-Electron Laser Science am Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY und der Universität Hamburg beteiligt.
Die Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift Nature Photonics erschienen. Neu ist dabei weniger die Erzeugung der Pulse als der Nachweis ihrer Dauer. Wie das SLAC National Accelerator Laboratory berichtet, hat das Team über mehrere Jahre gelernt, solche energiereichen Attosekundenpulse herzustellen. So kurze Pulse zu messen, sei jedoch äußerst schwierig, erklärt Marinelli. Das neue Verfahren sei die erste Diagnose, die belegt, dass die Pulse tatsächlich nur wenige hundert Attosekunden lang sind.
Eine Attosekunde ist ein Milliardstel einer Milliardstelsekunde, also ein Trillionstel einer Sekunde. Die Zahl ist schwer vorstellbar: Eine Sekunde verhält sich zu 100 Attosekunden ungefähr so wie rund 300 Millionen Jahre zu einer Sekunde. Selbst Licht legt in 100 Attosekunden nur etwa 30 Nanometer zurück, weniger als ein Tausendstel der Dicke eines menschlichen Haares. Auf dieser Zeitskala bewegen sich Elektronen in Atomen und Molekülen. Wer diese Bewegung beobachten will, braucht deshalb eine Art Kamera, deren Belichtungszeit nur wenige Attosekunden bis einige hundert Attosekunden beträgt. Längere Lichtblitze würden die Bewegung verwischen. Lange gelang die Erzeugung von Attosekundenpulsen nur im extremen Ultraviolett, weil die Ausbeute der dafür genutzten Laserverfahren zu kürzeren Wellenlängen hin stark sinkt.
Bereits 2019 hatte ein Team um Marinelli an der LCLS Attosekundenpulse im Bereich der sogenannten weichen Röntgenstrahlung unterhalb von 5 Kiloelektronenvolt erzeugt. Weiche Röntgenstrahlung eignet sich gut, um die Energie von Elektronen zu messen. Forscher nutzen sie etwa, um Elektronen in chemischen Bindungen und in den äußeren Schalen von Atomen zu beobachten, zum Beispiel ihre Bewegung in Wasser. Harte Röntgenstrahlung oberhalb von 5 Kiloelektronenvolt dringt dagegen tiefer in Materialien ein. Ihre Wellenlänge liegt bei 9 Kiloelektronenvolt bei rund 0,14 Nanometern und damit im Bereich der Abstände zwischen Atomen. Damit lassen sich Bilder mit so hoher Auflösung erzeugen, dass sich die Lage von Elektronen auf atomarer Skala bestimmen lässt.
Wie fein Röntgenstrahlung grundsätzlich auflösen kann, zeigte sich bereits beim ersten Röntgenbild eines einzelnen Atoms, für das allerdings keine ultrakurzen Pulse nötig waren. Die harten Attosekundenpulse der LCLS verbinden nun beide Eigenschaften. Laut den Autoren erweitern sie die Photonenenergie, bei der Attosekundenverfahren möglich sind, um rund eine Größenordnung. Damit lassen sich Vorgänge zugleich auf der Zeitskala von Elektronenbewegungen und mit atomarer räumlicher Auflösung untersuchen.
In einem Freie-Elektronen-Laser fliegt ein stark verdichtetes Paket aus Elektronen durch einen Undulator, eine lange Reihe von Magneten mit wechselnder Polung. Die Elektronen werden darin auf einen Schlingerkurs gezwungen und strahlen dabei. Das Licht wirkt auf die Elektronen zurück und ordnet sie in dünne Scheiben, sodass sich die Strahlung selbst verstärkt. Normalerweise besteht ein solcher Puls aus mehreren unabhängigen Lichtspitzen und dauert einige Femtosekunden, also Billiardstel Sekunden. Für Attosekundenpulse muss nur ein sehr kurzer Abschnitt des Elektronenpakets Licht aussenden. Das Team erreichte das, indem es den Laserpuls formte, der am Anfang der Anlage die Elektronen aus einer Fotokathode löst. So entsteht im Elektronenpaket eine einzelne, sehr kurze Spitze mit hoher Stromstärke.
Schon 2017 hatten SLAC-Teams berichtet, harte Röntgenpulse von einigen hundert Attosekunden erzeugt zu haben. Ihre Dauer ließ sich damals aber nicht direkt messen. Sie wurde stattdessen aus dem gemessenen Spektrum und aus Simulationen abgeleitet. Das ist ungenau, weil die spektrale Breite eines Pulses auch von der Energieverteilung im Elektronenpaket abhängt. Das Spektrum liefert daher nur eine Untergrenze für die Pulsdauer, aber keine Obergrenze. Für weiche Röntgenpulse gibt es direkte Messverfahren, für harte fehlte eine solche Bestätigung bislang.
Inoue schlug vor, die Dauer der Pulse über die verstärkte spontane Emission zu bestimmen. Dabei leuchtet ein Element nach intensiver Röntgenanregung nicht wie üblich in alle Richtungen, sondern bevorzugt in Vorwärtsrichtung. Das Team zweigte zunächst einen Teil des Strahls ab und maß Energie und Spektrum jedes einzelnen Pulses. Den Rest bündelte ein Spiegelsystem auf einen Fleck von nur 150 Nanometern Breite auf einer 20 Mikrometer dicken Kupferfolie. Dort reißen die Röntgenpulse Elektronen aus der innersten Schale der Kupferatome. Bei Intensitäten in der Größenordnung von zehn Trillionen Watt pro Quadratzentimeter entstehen dadurch so viele angeregte Atome, dass das ausgesandte Fluoreszenzlicht weitere Atome zur Abgabe von Licht in dieselbe Richtung anregt. Ein zweiter Detektor fängt das verstärkte Signal ein.
Entscheidend ist, dass die Stärke dieses Leuchtens bei bekannter Pulsenergie und Fleckgröße vor allem davon abhängt, wie kurz der Puls ist. Je kürzer der Blitz, desto höher die Spitzenintensität und desto stärker die Verstärkung. Die Forscher verglichen die gemessene Fluoreszenz Puls für Puls mit dreidimensionalen Simulationen für verschiedene Pulsdauern. Die meisten der ausgewerteten Pulse lagen zwischen den berechneten Kurven für 100 und 400 Attosekunden. Für die kürzesten Pulse ergab sich ein Produkt aus spektraler Breite und Dauer von etwa 2 Femtosekunden mal Elektronenvolt. Das ist nahe an der physikalischen Untergrenze, die für einen Puls mit dieser Bandbreite möglich ist.
Die Pulsdauer wird nicht direkt abgelesen, sondern aus dem Vergleich von Messung und Modell erschlossen. Die Forscher nehmen dabei an, dass jeder Puls eine einzelne Spitze ohne Nebenmaxima besitzt, was die gemessenen Spektren und Simulationen der Elektronenstrahlen stützen. Ausgewertet wurden nur Pulse, deren Spektrum eine einzige glatte Spitze zeigte. Laut der Vorabversion der Studie traf das auf rund 6,5 Prozent aller Pulse zu. Zudem erreichen nach dem Analysekristall des Spektrometers oft nur wenige Lichtteilchen den Detektor, sodass zufällige Schwankungen das Ergebnis beeinflussen. Für schwächere Pulse ließ sich die Dauer deshalb nicht mehr einzeln bestimmen. Das Verfahren hat außerdem eine Untergrenze: Bei Kupfer wird das Signal unempfindlich, wenn die Pulse deutlich kürzer sind als die Lebensdauer der angeregten Atome. Mit schwereren Elementen als Ziel sollen sich künftig auch Pulse von wenigen Dutzend Attosekunden vermessen lassen.
Mit dem Nachweis öffnet sich die Attosekundenforschung für neue Nutzergruppen. Dazu gehört der Physiker Sam Vinko von der University of Oxford, der Plasmen untersucht. Das ist heiße, dichte Materie, wie sie in Sternen vorkommt und in Experimenten zur Trägheitsfusion entsteht, bei der Laser einen Brennstoff so stark verdichten, dass ein brennender Plasmazustand erreicht werden kann. Bisher war Röntgenstrahlung entweder nicht energiereich genug, um solche Plasmen zu durchdringen, oder zu langsam, um ihre kurzlebigen Zustände mit angeregten inneren Elektronenschalen festzuhalten. Plasmaphysik sei sehr unübersichtlich, sagt Vinko. Normalerweise regten Forscher eine Probe an, die sich dann entspanne, bevor eine Messung möglich sei, weshalb man oft auf Modelle und Annahmen angewiesen sei.
In diesem Frühjahr standen Vinko an der LCLS erstmals Röntgenpulse zur Verfügung, die energiereich genug zum Durchdringen und schnell genug zum Einfrieren eines dichten Plasmas waren. Laut SLAC war das an einem Röntgen-Freie-Elektronen-Laser bisher nicht möglich. Zum ersten Mal habe man diese Zustände messen können, bevor sie sich weiterentwickelten, berichtet Vinko. Für einen Plasmaphysiker sei das schlicht großartig. Ergebnisse dieser Messungen sind in der aktuellen Studie allerdings nicht enthalten.
Die extrem kurzen Röntgenpulse haben einen weiteren Vorteil. Intensive Röntgenstrahlung verändert die Elektronen einer Probe, vor allem durch freigesetzte Elektronen, die innerhalb weniger Femtosekunden weitere Atome ionisieren. Mit Attosekundenpulsen lasse sich der elektronische Zustand in seinem unberührten Zustand erfassen, sagt Inoue, man laufe dem Schaden gewissermaßen davon. Die Autoren sehen darin einen Weg zu Röntgenmessungen mit nur einem Puls, die die Probe nicht verfälschen. Die Physikerin Tais Gorkhover, die an der Universität Hamburg eine Gruppe für ultraschnelle Röntgenbildgebung leitet, will die Pulse nutzen, um Bilder von Strukturen im Nanometerbereich zu schärfen. Mit Attosekundenpulsen lasse sich die Bewegung von Atomkernen und Elektronen sauber voneinander trennen, erklärt sie.
Auch in Deutschland wird an solchen Pulsen gearbeitet. Röntgenlicht ist dort seit Langem ein Werkzeug der Strukturforschung, etwa an der Synchrotronquelle PETRA III in Hamburg, mit deren Hilfe sich zeigen ließ, wie Eiweiß unter Hitze stockt. Am European XFEL bei Hamburg bündelte ein Team um denselben Erstautor Inoue harte Röntgenpulse mit einer geschätzten Dauer von 300 Attosekunden auf einen Fleck von 180 mal 330 Nanometern. Wie die Universität Hamburg berichtet, erreichten sie dabei eine Spitzenintensität von mehr als 100 Trillionen Watt pro Quadratzentimeter, ebenfalls nachgewiesen über das Leuchten einer Kupferfolie. Die dafür verwendete Spiegeloptik wurde aus Japan mitgebracht, ein eigenes System soll der European XFEL Anfang 2027 erhalten. Die Messungen an der LCLS liefern nun die experimentelle Bestätigung, dass Röntgenlaser solche Blitze im Bereich von 100 Attosekunden tatsächlich erzeugen können.
Nature Photonics, Experimental demonstration of attosecond hard X-ray pulses; doi:10.1038/s41566-026-02026-7
SLAC National Accelerator Laboratory, SLAC’s X-ray laser sets a record for shortest high-energy pulses ever generated by an XFEL
Universität Hamburg, Weltrekord-Intensität bei kurzen, energiereichen Röntgenpulsen
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