Überblick

Nichtlineare Optik mit Röntgenlicht

Freie-Elektronen-Laser eröffnen mit ihren hohen Intensitäten vielfältige Experimentiermöglichkeiten.

  • Nina Rohringer
  • 05 / 2015 Seite: 31

Freie-Elektronen-Laser zählen zu den intensivsten Röntgenquellen und erlauben es erstmals, nichtlineare optische Effekte mit Röntgenlicht zu untersuchen – aufgrund der extrem kleinen Wechselwirkungsquerschnitte und der direkten Kopplung ans elektronische Kontinuum allerdings mit deutlichen Unterschieden zur nichtlinearen Optik mit sichtbaren Licht. Nach ers­ten grundlegenden Untersuchungen stehen nun die Entwicklung neuer nichtlinearer spektroskopischer Methoden und der Nachweis nichtlinearer optischer Prozesse in Festkörpern im Vordergrund.

Mit der Inbetriebnahme der Freie-Elektronen-Laser (FEL) FLASH in Deutschland [1], LCLS in den USA [2] und SACLA in Japan [3] stehen hochintensive Quellen für Röntgenstrahlung mit Wellenlängen von 10 bis 0,06 Nanometer zur Verfügung. Im Vergleich zu den bislang modernsten Speicherringquellen wie PETRA III am DESY in Hamburg liefern FELs eine um neun Größenordnungen bessere Spitzenbrillanz – ein Maß für die spektrale Qualität, Intensität und Divergenz des Röntgenstrahls. Für die orts- und zeitaufgelöste Untersuchung von elektronischer und nuklearer Dyna­mik sind es vor allem die kurzen Pulse im Femtosekunden-Bereich, die FELs attraktiv für Anwendungen machen. Auf dieser Zeitskala läuft das Aufbrechen und Bilden von chemischen Bindungen – die fundamentalen Prozesse, auf die chemische Reaktionen zurückzuführen sind – ebenso ab wie kohärenter Ladungs- und Energietransport oder relevante Prozesse in der Photosynthese. Diese lassen sich nun durch ultrakurze Röntgenpulse mit spektroskopischen Methoden oder durch Röntgenbeugung untersuchen. Darüber hinaus glänzen FELs mit Spitzenintensitäten, die jene an Speicherringquellen um zehn Größenordnungen übertreffen. Damit eröffnen FELs nicht nur neue Möglichkeiten für die Strukturbestimmung durch Röntgenbeugung an Nano­kristallen [4], an einzelnen Zellen und vielleicht künftig auch an einzelnen Molekülen, sondern an ihnen lassen sich auch erstmals nichtlineare optische Effekte mit Röntgenlicht realisieren.

Den Begriff „nichtlinear“ wollen wir vorerst ganz allgemein als die Wechselwirkung eines Quantensystems mit mehr als einem Photon definieren: Im Gegensatz zu Speicherringquellen, an denen die Wechselwirkungswahrscheinlichkeiten pro Atom und pro Puls im Bereich von 10–7 liegen (Infokasten „Ionisationswahrscheinlichkeiten“), kann ein einziges Atom über die Dauer eines fokussierten FEL-Pulses mit nahezu hundertprozentiger Wahrscheinlichkeit mit mehr als einem Photon in Wechselwirkung treten. Dies kann zu erhöhten „Strahlenschäden“ als Folge von Mehrfachionisation der Probe führen und damit die elektronische Struktur verändern. Die Messdauer mit intensiver Röntgenstrahlung muss daher so kurz gehalten werden, dass eine Veränderung oder Zerstörung der Probe das Messergebnis nicht beeinflusst. Die hohen Intensitäten eröffnen darüber hinaus neue Möglichkeiten für nichtlineare spektroskopische Methoden im Röntgenbereich, um elektronische Strukturveränderungen z. B. bei der Photosynthese zu untersuchen...

Share |
thumbnail image: Nichtlineare Optik mit Röntgenlicht

Aktuelles Heft

Inhaltsverzeichnis
10 / 2017

thumbnail image: PJ 10 2017

Anomalien von Wasser

Ursprung des Lebens

Fraunhofer-Linien

Phänomenta

Zugang Physik Journal

Nur DPG-Mitglieder haben vollen Zugriff auf alle Hefte und Online-Inhalte des Physik Journal und müssen sich dafür mit ihrer Mitgliedsnummer registrieren » 

Erst wenn die Artikel des Physik Journal älter als drei Jahre sind, stehen sie kostenlos und frei zugänglich zur Verfügung

Als DPG-Mitglied erhalten Sie den Physik Journal Newsletter, wenn Sie sich dafür bei der DPG registrieren »

Mediadaten

Die Mediadaten für Werbe­mög­lich­kei­ten im Phy­sik Jour­nal finden Sie als PDFs hier:
2017 deutsch / eng­lisch
2018 deutsch / englisch

Webinar

Warum reale akustische Systeme nur multiphysikalisch simuliert werden können

  • 02. November 2017

In diesem Webi­nar wird ge­zeigt, warum man bei­spiels­weise schon bei der Simu­la­tion eines „ein­fachen“ Laut­spre­chers auf multi­phy­si­ka­li­sche Kopp­lung an­ge­wie­sen sein kann, wenn man ex­pe­ri­men­tel­le Er­geb­nis­se kor­rekt re­pro­du­zie­ren will.

Alle Webinare »

Site Login

Bitte einloggen

Andere Optionen Login

Website Footer