Zusammenfassung:
Das Forschungsteam des European XFEL (European Dieses Ergebnis soll Wissenschaftlern dabei helfen, das dynamische Verhalten von Elektronen in Atomen und Molekülen mit beispielloser Präzision zu beobachten. Die entsprechenden Forschungsergebnisse wurden in „Optica“ veröffentlicht.
Wissenschaftler hoffen seit langem, die Bewegung von Elektronen in Atomen und Molekülen zu verstehen, um ein tieferes Verständnis chemischer Reaktionen zu erlangen und in Zukunft sogar eine aktive Kontrolle des Elektronenverhaltens zu erreichen. Röntgenstrahlen sind ein wichtiges Instrument zur Untersuchung der Bewegung von Elektronen, aber auch hochenergetische Strahlung selbst kann die zu untersuchende Probe verändern, daher müssen Forscher genügend Informationen erhalten, bevor merkliche Veränderungen in der Probe auftreten.
In diesem Experiment fokussierte das Forscherteam die Röntgenimpulse auf einen extrem kleinen Bereich, der etwa ein Hunderttausendstel des Querschnitts eines gewöhnlichen menschlichen Haares beträgt. Jeder Impuls dauert etwa 300 Attosekunden, was nur einem Milliardstel einer Milliardstel Sekunde entspricht. Das Experiment wurde im April 2026 an der MID-Experimentierstation der European-XFEL-Anlage mit harter Röntgenstrahlung mit extrem kurzen Wellenlängen abgeschlossen.
Yan Jiawei, ein Wissenschaftler am Deutschen Elektronen-Synchrotron-Zentrum (DESY), der an der Forschung beteiligt war, sagte, dass das Team vor einigen Jahren harte Röntgen-Attosekundenpulse im Terawatt-Bereich demonstriert habe, die Erzeugung starker Pulse jedoch nur der erste Schritt sei. Was wirklich wichtig ist, ist, diese Energie effektiv an die Versuchsprobe abgeben zu können. Mit diesem Durchbruch konnten Wissenschaftler Röntgenstrahlen im Attosekundenbereich nutzen, um die hochgradig nichtlineare Wechselwirkung zwischen Röntgenstrahlen und Materie zu untersuchen.
Um eine extreme Fokussierung zu erreichen, verwendeten die Forscher ein fortschrittliches Kirkpatrick-Baez-Optiksystem (AKB) aus Japan. Jeder Röntgenpuls durchläuft vier Reflexionen, wobei zwei hochpräzise Spiegel für die vertikale bzw. horizontale Fokussierung verantwortlich sind. Letztendlich werden die Röntgenstrahlen auf einen winzigen Fokusbereich von nur 180 x 330 Nanometern komprimiert.
Basierend auf Berechnungen der Pulsenergie, -dauer und der Fokusgröße schätzte das Forschungsteam, dass seine Spitzenintensität 10²⁰W pro Quadratzentimeter überstieg. Ichiro Inoue, ein Forscher an der Universität Tokio, sagte, dass dieses Ergebnis den Weltrekord für harte Röntgen-Attosekundenpulse hinsichtlich Intensität und Energiefluss bricht. Unter anderem wird der Energiefluss verwendet, um die pro Flächeneinheit empfangene Energie zu messen, während die Intensität darüber hinaus widerspiegelt, wie schnell diese Energie abgegeben wird.
Um diese Berechnung zu verifizieren, strahlten die Forscher diese ultraintensiven Impulse auf Kupferfolienproben. Röntgenstrahlen schlagen Elektronen aus der tiefen inneren Hülle von Kupferatomen heraus und bilden Elektronenleerstellen. Wenn andere Elektronen diese Lücken füllen, wird neue Röntgenstrahlung freigesetzt. Bei ausreichend hoher Intensität können diese Strahlungen andere angeregte Kupferatome dazu veranlassen, mehr Röntgenstrahlen in die gleiche Richtung zu emittieren, wodurch ein Phänomen entsteht, das als „verstärkte spontane Emission“ (ASE) bekannt ist und eine Signalverstärkung erreicht.
Anders Madsen, Leiter der MID Experiment Station, sagte, dass sich die Beobachtung dieses Phänomens fast magisch anfühlte. Normale Fluoreszenz strahlt in alle Richtungen, unabhängig von der Richtung des einfallenden Strahls; Wenn die ASE-Schwelle überschritten wird, können die Forscher deutlich sehen, wie der Strahl allmählich schrumpft und sich in Vorwärtsrichtung konzentriert.
Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass das ASE-Signal mit zunehmender Pulsenergie zunächst schnell ansteigt und dann bei höheren Energien zur Sättigung tendiert. Die Forscher wiesen darauf hin, dass dieses Sättigungsphänomen nur bei extrem hohen Röntgenintensitäten auftritt, und lieferten damit einen unabhängigen Nachweis der zuvor berechneten ultrahohen Intensitäten.
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