Ludwig-Maximilians-Universität München
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Attosekundenphysik

Eine neue Lichtquelle für die Bildgebung

München, 16.06.2015

LMU-Physiker haben eine Lichtquelle entwickelt, aus der harte, brillante Röntgenstrahlung erzeugt wird. Mit Hilfe von Laserlicht werden so erstmals kleinste Strukturen in Materie sichtbar.

Physiker Konstantin Khrennikov beugt sich über das ATLAS Lasersystem im Laboratory for Extreme Photonics (LEX Photonics)der LMU. Es dient als Lichtquelle für das neue, brillante Röntgenlicht. Foto: Thorsten Naeser

Will man kleinste Strukturen in Materie sichtbar machen, braucht man ein Licht, das kurze Wellenlängen besitzt und über eine hohe Brillanz verfügt. Brillante Strahlung bündelt viele Photonen (Lichtteilchen) gleicher Wellenlänge auf engstem Raum in kürzester Zeit. Harte Röntgenstrahlung ist dafür das Licht der Wahl, da es Materie durchdringt und über Wellenlängen von wenigen Hundertstel Nanometern (hundertstel Milliardstel Meter) verfügt. Harte und gleichzeitig brillante Röntgenstrahlung wird heute in großen und teuren Beschleunigeranlagen produziert. Doch es geht platzsparender und billiger, nämlich mit Licht. Einen großen Schritt auf diesem Weg in die Zukunft hat ein Team vom Labor für Attosekundenphysik der LMU und des MPQ zurückgelegt. Die Physiker um Professor Stefan Karsch und Professor Laszlo Veisz haben harte, brillante Röntgenstrahlung mit Hilfe von Licht erzeugt. Ihre Wellenlänge ist zudem anpassbar auf die Bedürfnisse ihrer Anwendung. Darüber berichten sie aktuell in der Fachzeitschrift Physical Review Letters.

Die Wissenschaftler schickten Laserpulse von rund 25 Femtosekunden Dauer und einer Leistung von 60 Terawatt (6x1013 Watt) auf Wasserstoffatome. Zum Vergleich: Ein Atomkraftwerk produziert gerade mal 1500 Megawatt (1.5x109 Watt). Eine Femtosekunde ist ein Millionstel einer milliardstel Sekunde. Dabei lösten die elektrischen Felder des Lichts die Elektronen von den Atomkernen, sodass ein Plasma entstand, und räumten sie wie ein Schneepflug aus dem Weg. Übrig blieben die Ionen (positiv geladene Atome), die um einiges schwerer sind als die Elektronen. Die Trennung der Ladungen bewirkt sehr starke elektrische Felder, die dazu führen, dass die weggeräumten Elektronen wieder zurückfedern und zu schwingen anfangen, was die Ausbildung einer Wellenstruktur in Plasma zur Folge hat. Diese läuft dem Laserpuls mit fast Lichtgeschwindigkeit hinterher, vergleichbar der Kielwelle eines Bootes auf der Wasseroberfläche. Einige der freien Elektronen werden eingefangen und reiten auf ihr ähnlich wie Surfer in der Brandung, wobei sie immer in Richtung des Laserpulses fast bis auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden.

Sobald die Elektronen ihre maximale Geschwindigkeit erreicht haben, treffen sie frontal auf einen gegenläufigen Lichtpuls. Dessen elektrische Felder in Wellenform zwingen die Elektronen auf einen ebenso wellenförmigen Schlingerkurs, wobei sie senkrecht zur Flugrichtung beschleunigt und wieder abgebremst werden. Das System nennt man optischen Undulator. Die Teilchen senden dabei brillante Röntgenstrahlung aus, die eine Wellenlänge von bis zu 0,03 Nanometer hat. Zudem konnten bei diesen Experimenten zum ersten Mal die Oberschwingungen der Elektronenbewegung im Lichtfeld direkt im Röntgenspektrum sichtbar gemacht werden, was an Beschleunigeranlagen immer wieder versucht wurde.

Noch genauere Informationen gewinnen

Im Vergleich zu bisherigen Röntgenquellen bietet das System einen großen Vorteil: die Durchstimmbarkeit der emittierten Wellenlänge über einen großen Bereich; die Wellenlänge ist also veränderbar. Daraus ergibt sich zum Beispiel in der Medizin die Möglichkeit, verschiedene Arten von Gewebe genau zu analysieren. Denn je feiner abgestimmt die Röntgenstrahlung ist, desto genauer werden die Informationen, die man gewinnt.

Doch nicht nur durch die abstimmbare Wellenlänge und hohe Brillanz gewinnt die lichtgetriebene Strahlung an Qualität, sondern auch durch ihre gepulste Form. Denn aus den Femtosekunden-langen Laserpulsen entstehen rund fünf Femtosekunden lange Röntgenpulse. Daraus werden sich neue Anwendungen ergeben, wie zum Beispiel zeitaufgelöste Spektroskopie zur Untersuchung ultraschneller Vorgänge im Mikrokosmos. Noch verfügt die neue Lichtquelle nicht über eine genügend hohe Intensität, also nicht über genügend Lichtteilchen pro Puls. Die Physiker werden nun im neuen Centre for Advanced Laser Applications CALA, das gerade auf dem Campus Garching gebaut wird, die Pulse mit mehr Lichtteilchen anreichern.

Dann kann die neue, lichtgetriebene Strahlung zum Beispiel mit dem sogenannten Phasenkontrast-Röntgentomographie-Bildgebungsverfahren gekoppelt werden, das von Professor Franz Pfeiffer an der Technischen Universität München verfeinert wird. Dabei nutzt man im Gegensatz zur üblichen Absorption der Strahlung ihre Brechung an Objekten. „Damit können wir heute schon bis zu zehn Mikrometer kleine Strukturen in nicht durchsichtigen Objekten aufspüren“, erläutert Stefan Karsch. „Mit der neuen Röntgenquelle werden wir dann noch genauere Informationen aus Gewebe oder anderem Material gewinnen.“

(Physical Review Letters Mai 2015)                            tn/MAP