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Forschende bauen weltweit kleinstes Interferometer und vermessen damit Wechselwirkung von Röntgenstrahlen mit Atomkernen
Ein Regenbogen macht mit Farben sichtbar, was sonst verborgen bleibt: Licht wird von transparenter Materie, hier den Wassertropfen, „gebrochen“. Derselbe physikalische Effekt steckt in vielen Technologien des Alltags, wie LCD-Bildschirmen und dem Breitbandanschluss mit Glasfaserkabel. Auslöser der Lichtbrechung ist eine Wechselwirkung zwischen dem Licht und den Atomen der Materie. Durch sie geraten die Lichtwellen sozusagen ein wenig aus dem Takt. Auch „Röntgenlicht“ wird „gebrochen“. Hier ist der Effekt jedoch schwer zu messen. Ein Miniatur-Messgerät ...
... verschafft nun ganz neuen Zugang. Forschende der Universitäten Göttingen und Hamburg haben mit Partnern das, nach ihrem Wissen, weltweit kleinste Röntgen-Interferometer gebaut. Damit konnten sie die Brechung von auf wenige Nanometer begrenzten Röntgenstrahlen erstmals genau vermessen und daraus schließen, wie diese mit Atomkernen interagieren. Die Studie wurde in der Fachzeitschrift Nature Photonics veröffentlicht.
Das neue Röntgen-Interferometer nutzt das Prinzip des berühmten Doppelspalt-Experiments, das laut dem Nobelpreisträger Richard Feynman das „Herz der Quantenmechanik“ in sich trägt. „Unser Röntgen-Interferometer ist wohl das kleinste Interferometer der Welt: Die beiden Spalte liegen nur 50 Nanometer auseinander; das entspricht etwa einem Tausendstel der Dicke eines menschlichen Haares“, sagt Erstautor Dr. Leon M. Lohse, der die Studie an der Universität Hamburg erarbeitet hat und inzwischen an der Universität Göttingen forscht. Die Forschenden experimentierten damit an der Europäischen Synchrotronstrahlungsquelle ESRF im französischen Grenoble.
In einen Spalt brachten sie Atome des Eisen-Isotops 57Fe ein. „Das faszinierende ist: Wir haben das Experiment größtenteils mit einzelnen Photonen der Röntgenstrahlung durchgeführt“, so Lohse. Jedes dieser „Lichtteilchen“ durchquert gleichzeitig beide Spalte. In einem Spalt interagiert das Photon mit den Atomkernen des Eisen-Isotops. Hinter den Spalten erzeugt es dann charakteristische Muster, aus denen die Stärke der Lichtbrechung bestimmt wird. Daraus konnten die Forschenden auf die Wechselwirkung zwischen den Röntgen-Photonen und Eisen-Atomen schließen.
Interferometer für Röntgenstrahlung zu bauen, ist herausfordernd. Sie müssen besonders präzise sein: „Röntgen-Lichtwellen“ werden schwächer „gebrochen“ und sind extrem kurz – etwa Tausendmal kürzer als die des sichtbaren Lichts und kürzer als der typische Abstand zwischen Atomen in Materie. Gleichzeitig ist ihre Brechung hoch relevant. Mit ihr erzeugt etwa die Röntgen-Phasenkontrast-Bildgebung detailreiche 3D-Bilder von biologischen Proben, ohne sie zu beschädigen. In ihr sind außerdem genaue Informationen über die in Materie enthaltenen Atome und deren Anordnung verborgen. Diese waren für Forschende bisher schwer zugänglich.
„Unser Experiment eröffnet zahlreiche Perspektiven“, erklärt Prof. Dr. Tim Salditt von der Universität Göttingen. „Es demonstriert, wie Lichtbrechung Informationen liefert, die aus der sonst gemessenen Abschwächung des Lichts nicht hervorgehen – insbesondere im Zusammenhang mit atomaren Resonanzen.“ Außerdem liefere es eine Grundlage, um den Brechungsindex unterschiedlicher Elemente für Röntgenstrahlung systematisch und präzise zu vermessen. In Zukunft sind für das Team auch „integrierte optische Schaltkreise“ für Röntgenstrahlung denkbar.
Dr. Leon M. Lohse
Georg-August-Universität Göttingen
Institut für Röntgenphysik
Friedrich-Hund-Platz 1, 37077 Göttingen
E-Mail: llohse@uni-goettingen.de
Prof. Dr. Tim Salditt
Georg-August-Universität Göttingen
Institut für Röntgenphysik
Friedrich-Hund-Platz 1, 37077 Göttingen
Telefon: 0551 39-25556
E-Mail: tsaldit@gwdg.de
Internet: http://www.roentgen.physik.uni-goettingen.de
Lohse, L. M. et al. Interferometric measurement of nuclear resonant phase shift with a nanoscale Young double waveguide. Nature Photonics. https://doi.org/10.1038/s41566-026-01892-5
https://www.uni-goettingen.de/de/3240.html?id=8142 weitere Fotos
Vorgänge im Röntgen-Interferometer: Der Pfad eines Photons (pink) durchquert zwei Spalte gleichzeiti ...
Source: Markus Osterhoff
Copyright: Markus Osterhoff/Universität Göttingen
Criteria of this press release:
Journalists
Physics / astronomy
transregional, national
Research results
German
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