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Zum ersten Mal konnten Forschende Röntgenlicht in einem Resonator mehrfach laserartig verstärken. Mit Erfolg: Die neue Technik liefert extrem energiescharfe Röntgenpulse für hochpräzise Experimente – also Röntgenlicht, bei dem die Wellenlänge besonders genau getroffen ist. Das eröffnet völlig neue Möglichkeiten für Experimente in Physik, Chemie oder Biologie. Die Forschenden vom European XFEL, DESY und der Universität Hamburg berichten über ihr „XFELO“ genanntes System in der aktuellen Ausgabe des renommierten Wissenschaftsmagazins „Nature“.
Das Forschungsteam konnte erstmals zeigen, dass eine spezielle Resonatoranordnung eine Netto-Röntgenverstärkung erzielen kann, indem die Röntgenpulse zwischen Kristallspiegeln zirkulieren und ähnlich wie bei einem optischen Laser verstärkt werden. Das Ergebnis des Proof-of-Concept am European XFEL ist ein besonders kohärentes, laserartiges Licht, das in dieser Qualität im harten Röntgenspektrum bislang unerreichbar war – Expertinnen und Experten sprechen von energiescharfem Röntgenlicht. Das Lasing in einem Resonator ist mit kurzwelligen Röntgenstrahlen aus verschiedenen Gründen schwierig zu erreichen, darunter – ganz grundlegend – die Tatsache, dass es aufgrund der Eigenschaften dieses Lichts schwierig ist, den Strahl in großen Winkeln zu reflektieren. Die „XFELO“-Technik (kurz für: X-Ray Free Electron Laser Oscillator) eröffnet spannende, neue Perspektiven für wissenschaftliche Untersuchungen – von ultraschnellen chemischen Reaktionen bis hin zur detaillierten Analyse feinster biologischer Strukturen.
Vom XFEL zum XFELO
Heutige Freie-Elektronen-Laser erzeugen Röntgenpulse mit Hilfe eines Linearbeschleunigers. Seine elektrischen Felder beschleunigen Pakete aus rund 100 Milliarden Elektronen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit. Anschließend zwingen spezielle Magnetanordnungen – die Undulatoren – die Elektronen auf einen Slalomkurs. Während dieses ständigen Richtungswechsels geben die Elektronen stark gebündeltes Röntgenlicht in Vorwärtsrichtung ab. Bei European XFEL durchlaufen bis zu 27.000 Elektronenpakete pro Sekunde die Undulatoren und erzeugen entsprechend viele Röntgenblitze.
Auch wenn die Röntgenblitze schon von hervorragender Qualität sind, besitzen sie doch eine gewisse Energieunschärfe. Das neue XFELO-System hilft, die Energieunschärfe extrem zu reduzieren und damit Röntgenlicht mit Photonen sehr exakt definierter Energie zu erzeugen. Das ist für Präzisionsexperimente außerordentlich wichtig.
Im XFELO durchläuft das Röntgenlicht mehrfach einen Resonator – eine Art Rundkurs aus zwei Diamantspiegeln und einer Reihe von dazwischenstehenden Undulatoren. Bei jedem Umlauf, dessen Länge exakt definiert ist, wechselwirkt das Röntgenlicht mit einem „frischen“ Elektronenpaket aus dem Elektronenbeschleuniger. „Das verstärkt und konzentriert es jedes Mal“, erläutert Harald Sinn, Experte für Röntgenoptik und Leiter der Abteilung „Instrumentierung“ am European XFEL.
Ein gestochen scharfer Spike
„Mit jeder Umrundung wird das Rauschen im Röntgenpuls geringer und das konzentrierte Licht schärfer“, sagt DESY-Wissenschaftler Patrick Rauer, der mit seiner Doktorarbeit die Grundlage für die Umsetzung des Resonators schuf. „Es wird stabiler und man beginnt, diese einzelne, klare Frequenz zu sehen – diesen Peak.“ Diese Spitze steht für den einzelnen Puls des Röntgenlichts mit einer messerscharfen Abgrenzung.
Das Konzept für den Einsatz des Resonators am European XFEL schlug erstmals Jörg Rossbach vor, damals Physikprofessor an der Universität Hamburg. Seither wurde die Idee fortlaufend weiter untersucht und modelliert, bevor Rauer und andere Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus DESYs Beschleunigerbereich sowie Forscherinnen und Forscher, Ingenieurinnen und Ingenieure aus Sinns Instrumentierungsteam am European XFEL eine spezifische Resonatorkonfiguration entwerfen konnten. Zufälligerweise war es auch der mittlerweile emeritierte Jörg Rossbach, der während der Messzeit am European XFEL als Erster den Peak in den Daten bemerkte.
Einzigartige Präzision
Der Resonator am European XFEL misst rund 66 Meter Länge. Hochreine Diamantkristalle spiegeln das Licht und bringen es dazu, dass es den Resonator immer wieder durchläuft. Optische Spiegel sorgen für zusätzliche Fokussierung und Stabilität. Besondere Herausforderungen beim Bau des Systems waren die exakte Ausrichtung der Kristalle und die Synchronisation der Umläufe des Röntgenlichtpulses mit den Elektronenpaketen. Die Stabilität des 1,7 Kilometer langen Beschleunigers hinsichtlich Energie, Zeit (bis auf Femtosekunden genau) und Position (bis auf Mikrometer genau) über mehrere Tage hinweg war entscheidend für den Erfolg des Projekts. „Es hat Jahre gedauert, den Beschleuniger in diesen Zustand zu bringen, der unter den Beschleunigern mit hoher Wiederholungsrate einzigartig ist“, erklärt Rauer.
„Unser Erfolg zeigt, dass die Nutzung eines Resonators zur Verstärkung eines Röntgenlasers praktisch umsetzbar ist“, sagt Sinn. „Im Vergleich zu bisherigen Methoden liefert es Röntgenpulse mit einer sehr schmalen Bandbreite sowie deutlich höherer Stabilität und Kohärenz.“ Damit eröffnen sich völlig neue Möglichkeiten für präzise Experimente in Physik, Materialwissenschaften, Chemie oder Biologie. „Forschende können damit künftig Strukturen und Prozesse untersuchen, die zuvor kaum messbar waren,“ erläutert Thomas Feurer, Vorsitzender der Geschäftsführung am European XFEL.
In den kommenden Jahren will das Team daran arbeiten, das Röntgenlicht weiter zu verstärken, die Stabilität über längere Betriebszeiten zu sichern und die Technik für eine große Nutzerschaft in der Forschung bereitzustellen. Das Ziel: eine neue Generation von Röntgenquellen, die durch außergewöhnliche Präzision und Brillanz überzeugt und bislang unerreichte Einblicke in kleinste und schnellste Prozesse ermöglicht.
„Dieses Team zeigt, dass unsere Zusammenarbeit mit European XFEL weit über den Betrieb des Beschleunigers hinausgeht“, sagt Wim Leemans, Beschleuniger-Direktor bei DESY. „Das Team hat gemeinsam ein Konzept verwirklicht, das die Lasereigenschaften kohärenter, harter Röntgenpulse am European XFEL verbessert. Nutzerinnen und Nutzer werden davon extrem profitieren.“
Dr. Harald Sinn harald.sinn@xfel.eu
Phone +49 40 8998-1744
Dr. Patrick Rauer patrick.rauer@desy.de
Phone +49 40 8998-2579
https://www.nature.com/articles/s41586-025-10025-x
https://doi.org/110.1038/s41586-025-10025-x
Animation, die XFELO kurz erklärt
Video-Interview mit Patrick Rauer und Harald Sinn
Illustration des XFELO-Systems
Copyright: European XFEL
Eine der beiden XFELO-Spiegelkammern am Ende einer Reihe von Undulatoren in einem Tunnel des Europea ...
Copyright: European XFEL
Criteria of this press release:
Journalists
Physics / astronomy
transregional, national
Research results, Scientific Publications
German
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