Ein Physikerteam unter Führung des Heidelberger Max-Planck-Instituts für Kernphysik (MPIK) hat eine Methode entwickelt, um spektral breite Röntgenpulse rein mechanisch „zuzuspitzen“. Das an DESYs Röntgenquelle PETRA III demonstrierte Verfahren verwendet präzise mit den Pulsen synchronisierte schnelle Bewegungen einer mit dem Röntgenlicht wechselwirkenden Probe. Dadurch gelingt es, Photonen innerhalb des Röntgenpulses so zu verschieben, dass sich diese im gewünschten Wellenlängenbereich konzentrieren. Die Forscher vom MPIK, DESY und der Europäischen Synchrotronstrahlungsquelle ESRF stellen ihre Arbeit im Fachblatt „Science“ vor.

Direkt nach der Anregung (rote Welle) beginnt die Eisen-Probe, das absorbierte Licht wieder abzustrahlen (blaue Welle). Vor der Bewegung (oben) löschen sich die rote und die blaue Welle aus, so dass Absorption beobachtet wird (magenta). Verschiebt man die Probe (grüner Pfeil im Bild unten) noch während sie angeregt ist, so wird auch das von ihr abgestrahlte Licht mit verschoben, so dass sich nun die beiden Wellen verstärken. Somit hat die „Photonenschaufel“ durch ihre Bewegung Photonen auf die resonante Wellenlänge umverteilt. Bild: MPIK Linkhttps://www.mpi-hd.mpg.de/mpi/de/aktuelles/meldung/detail/ruckartige-bewegung-schaerft-roentgenpulse/

Tatsächlich benutzen die Physiker so etwas wie einen Bagger für Lichtpulse, nämlich Piezoelemente, die mittels elektrischer Impulse präzise Bewegungen ausführen können. Als „Schaufel“ dient dabei eine dünne Folie aus Eisen. Synchronisiert man die Bewegung dieser „Photonenschaufel“ mit dem zeitlichen Eintreffen der Röntgenpulse, so kann man tatsächlich Röntgenphotonen auf einen „Haufen“, also in einen schmalen Wellenlängenbereich, schaufeln. „Dabei werden keine Photonen ‚verschwendet‘ wie in einem Monochromator, der nur die unerwünschten Wellenlängen abschneidet“, berichtet Jörg Evers aus der Abteilung von Christoph Keitel am MPIK. „Auch müssen wir keine zusätzliche Energie in den Röntgenpuls hineinstecken.“

Durchgeführt haben die Physiker ihre Experimente mit Röntgenpulsen an der ESRF und an der Messstation P01 an DESYs Röntgenquelle PETRA III. Dass die piezoelektrische Photonenschaufel so gut funktioniert, beruht auf dem Mössbauer-Effekt. Die Eisenfolie ist mit dem Isotop ⁵⁷Fe angereichert. Im Festkörper kann dieses „Mössbauer-Isotop“ Photonen rückstoßfrei absorbieren und emittieren. Dadurch absorbiert die Eisenfolie einen extrem schmalen Ausschnitt aus dem relativ breiten Röntgenpuls und emittiert dieses Licht mit einer gewissen Zeitverzögerung „resonant“ wieder.

Die Wellen des durchgehenden und des wieder abgestrahlten Lichts überlagern sich wie die Wellen von zwei Steinen, die man nebeneinander ins Wasser geworfen hat. Wird nun die Folie in der Zeit zwischen Absorption und Emission ein Stückchen bewegt, ist das so, als ob einer der beiden Steine ein Stückchen weiter geflogen wäre. An einem festen Punkt beobachtet, erscheint dann im einen Fall vielleicht ein Wellental, im anderen Fall aber ein Wellenberg. Mit Hilfe des Piezoelements gelang es den Physikern, die Eisenfolie so zu bewegen, dass diese Interferenzeffekte die resonanten Wellenlängen auf Kosten der „äußeren“ Wellenlängen verstärken. „Diese Bewegung um eine halbe Wellenlänge muss auf weniger als einen zehntel Nanometer genau gesteuert werden und innerhalb von einigen Nanosekunden erfolgen“, erläutert Erstautor Kilian Heeg aus der Gruppe von Jörg Evers am MPIK.

In Zukunft könnte die neue Methode für den Einsatz im normalen Nutzerbetrieb an Röntgenlichtquellen wie Synchrotronen oder Freie-Elektronen-Lasern weiterentwickelt werden. Die erhöhte Intensität kann eine Verkürzung von Messzeiten bewirken und Messungen ermöglichen, bei denen die Signalrate bislang zu gering ist. Außerdem verbessern stärkere Signale die erhöhte räumliche, zeitliche oder spektrale Auflösung.

Originalveröffentlichung: Spectral narrowing of x-ray pulses for precision spectroscopy with nuclear resonances; K. P. Heeg, A. Kaldun, C. Strohm, P. Reiser, C. Ott, R. Subramanian, D. Lentrodt, J. Haber, H.-C. Wille, S. Goerttler, R. Rüffer, C. H. Keitel, R. Röhlsberger, T. Pfeifer, J. Evers; „Science“, 2017; DOI: 10.1126/science.aan3512

Quelle: Max-Planck-Institut für Kernphysik