Eine Bremse für Röntgenstrahlen

  • 19. May 2015

Resonante Streuung an Dünnschicht-Eisenprobe kontrolliert Wellen­eigen­schaften von Licht­pulsen und verlang­samt diese 10.000-fach.

Inzwischen gibt es mit Synchrotrons und Freie-Elektronen-Lasern äußerst leistungsfähige Strahlungs­quellen für Röntgen­strahlung mit Laserqualität. Dies erweitert das Gebiet der Quanten­optik von der Wechsel­wirkung mit der Atomhülle auf Strahlungs­übergänge in Atomkernen. Physiker aus Heidelberg, Hamburg und Jena haben am Synchrotron PETRA-III des DESY und an der European Synchrotron Radiation Facility ESRF in Grenoble in zwei neuen Experimenten nukleare Quantenoptik an Eisenkernen demonstriert. Im ersten Experiment diente das Röntgenlichts als Werkzeug, um nach der Wechselwirkung präzise Informationen über die untersuchten Eisenkerne zu erlangen. Im zweiten Experiment waren die Rollen vertauscht, und die Eisenkerne bremsten die Ausbreitungs­geschwindigleit von Röntgenpulsen kontrolliert ab, was vielfältige Anwendungen erschließt. Die konzeptionelle Federführung und die theoretische Modellierung lag dabei bei der der Gruppe von Jörg Evers in der Abteilung für theoretische Quanten­dynamik des MPIK, während die Gruppe von Ralf Röhlsberger am DESY die experimentelle Vorbereitung und Durch­führung koordinierte.

Abb. 1, oben: Strahlengang des resonant (rot) und nicht-resonanten Röntgenlichts durch die Probe mit einer dünnen Eisenschicht. Unten: gemessene Linienprofile des gestreuten Röntgenlichts für verschiedene Eintrittswinkel θ. (Bild: MPI-K)

Abb. 1, oben: Strahlengang des resonant (rot) und nicht-resonanten Röntgenlichts durch die Probe mit einer dünnen Eisenschicht. Unten: gemessene Linienprofile des gestreuten Röntgenlichts für verschiedene Eintrittswinkel θ. (Bild: MPIK)

Kernstück der Experimente ist eine am DESY hergestellte Dünnschicht-Probe aus Eisenatomen, eingebettet zwischen Röntgen­strahlung reflektierenden Schichten. Diese wird im flachen Winkel mit Röntgenlicht bestrahlt und das reflektierte Licht gemessen, wobei im gewählten Frequenzbereich die Eisenkerne resonant wechsel­wirken. Im ersten Experiment, durchgeführt am Synchrotron PETRA-III, diente die Probe als Röntgen-Interferometer: Die reflektierte Strahlung enthält zum einen Beiträge, die durch die resonante Wechselwirkung mit den Eisenkernen verzögert wurden. Zum anderen enthält sie nicht-resonante Beiträge, die nicht an den Kernen gestreut wurden. Die Verzögerung durch die Eisenkerne führt zu einer Verschiebung der Wellen­fronten der beiden Beiträge, welche in Abb. 1a durch zwei mögliche Strahlen­gänge dargestellt ist. Die resonante Streuung (rot) erfolgt in einem schmalen Frequenzband, während die übrige reflektierte Strahlung (blau) breit­bandig ist. Durch Überlagerung (Interferenz) dieser beiden Anteile ergibt sich ein Fano-Profil, dessen asymme­trische Linien­form von der Verzögerung durch die Eisenkerne abhängt. Diese lässt sich im Experiment auf einfache Weise über den Reflexions­winkel kontrollieren (Abb. 1b).

Ausbreitung von Röntgenpulsen in einer dünnen Eisenfolie. Die zur Mitte stark ansteigenden Linien zeigen die extreme Verlangsamung des Röntgenlichts, wenn dieses die Kernresonanz der 57Fe Atome anregt

Abb.: Ausbreitung von Röntgenpulsen in einer dünnen Eisenfolie. Die zur Mitte stark ansteigenden Linien zeigen die extreme Verlangsamung des Röntgenlichts, wenn dieses die Kernresonanz der 57Fe Atome anregt. (Bild: K. Heeg, MPIK)

Die Theorie der Fano-Interferenz lässt sich auf viele verschiedene Beispiele in der Spektroskopie anwenden: etwa auf die Wechselwirkung von Ultraviolett-Laserpulsen mit Heliumatomen, die kürzlich die MPIK-Gruppe von Thomas Pfeifer untersucht hatte. Auch im aktuellen Fall der Röntgenstreuung an Atomkernen lässt sich aus der Linienform exakt die Verzögerung durch die Eisenkernene extrahieren, was die Basis für eine vollständige Charakterisierung ihres Quantenzustands im Röntgenbereich bildet. Eine weitere mögliche Anwendung ist die hochpräzise Stabilisierung von Röntgeninterferometern.

Kilian Heeg hat im Rahmen seiner Doktorarbeit am MPIK sowohl durch Modellrechnungen als auch im Experiment die wesentlichen Beiträge zu der Studie geliefert. Die Motivation für das zweite Experiment schildert er so: „Einerseits besteht Bedarf an möglichst schmalbandiger Röntgen­strahlung, andererseits möchten wir in Zukunft nichtlineare Effekte in der nuklearen Quantenoptik demonstrieren.“ Voraus­setzung dafür ist es, die Wechsel­wirkung zwischen Röntgen­licht und Eisenkernen zu verstärken. Hierzu kontrol­lierten sie die Physiker mit den Eisenkernen derart, dass die einge­strahlten Röntgen­pulse erheblich verlangsamt wurden – und zwar auf weniger als ein Zehn­tausendstel der Vakuum-Lichtge­schwindigkeit. Die „normale“ Verlangsamung von sichtbarem Licht in einem Medium wie Glas beträgt hingegen nur etwa dreißig Prozent.

Abb. 2: (a) Strahlengang durch das Röntgen-Polarimeter mit der Eisen-Probe. (b) Schmalbandige Absorption in einer dünnen Eisenfolie erzeugt eine echoartige Zeitstruktur des Röntgenpulses. (c) Mit dem Polarimeter gefiltertes, an der Probe resonant gestreutes Röntgenlicht: Die Verlangsamung erzeugt eine Zeitverzögerung τ. (d) Verzögerung als Funktion der Dopplerverstimmung des Absorbers. (Bild: MPIK)

Abb. 2: (a) Strahlengang durch das Röntgen-Polarimeter mit der Eisen-Probe. (b) Schmalbandige Absorption in einer dünnen Eisenfolie erzeugt eine echoartige Zeit­struktur des Röntgen­pulses. (c) Mit dem Polari­meter gefiltertes, an der Probe resonant gestreutes Röntgenlicht: Die Verlangsamung erzeugt eine Zeitver­zögerung τ. (d) Verzögerung als Funktion der Doppler­verstimmung des Absorbers. (Bild: MPIK)

Die starke Verlangsamung konnten die Physiker erreichen, indem sie die einzelnen zum Röntgenpuls beitragenden Lichtwellen durch die Wechsel­wirkung mit den Eisen­kernen geeignet gegen­einander verzögerten. Zur Detektion des verlangsamten Lichts nutzten sie die Eigenschaft der Eisenprobe, bei resonanter Streuung die Polarisation des Röntgen­lichts zu drehen. Ein entsprechendes leistungs­fähiges Polarimeter der Uni Jena erlaubt den ungewünschten nicht-resonanten Anteil zu unterdrücken (Abb. 2a). Damit war der verlangsamte Puls zugänglich.

„Um diesen Effekt direkt zu messen, haben wir eine dünne Eisenfolie in den Strahlen­gang eingebracht, die mit dem gleichen Kernübergang wie in der Probe einen schmalen Teil des ansonsten sehr breiten Frequenz­spektrums des Röntgenlichts heraus­schneidet“, erläutert MPI-Gruppen­leiter Jörg Evers. Dies führt dazu, dass der sehr kurze Röntgenpuls in seinem zeitlichen Verlauf eine echoartige Serie von Nachpulsen erhält (Abb. 2b). Diese erscheint auch bei dem resonant gestreuten verlang­samten Licht – aber eben um eine Zeit τ verzögert (Abb 2c). Durch Bewegung der Eisenfolie lässt sich deren Absorptions­frequenz gegenüber der Probe durch den Dopplereffekt verstimmen und so die Verzögerung kontrollieren, die bis zu 35 Nanosekunden beträgt (Abb. 2d). Das „langsame“ Röntgenlicht kann die Wechsel­wirkung mit den Eisenkernen effektiv erhöhen. Damit hofft die Gruppe um Evers, einen Zugang zu nichtlinearer Wechsel­wirkung im Röntgen­bereich zu gewinnen, die sich bisher nicht beobachten ließ.

MPIK / DESY / OD

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