Millionenfach schnellerer Wechsel von zirkular polarisierten Lichtpulsen

Am Speicherring BESSY II hat ein Forscherteam gezeigt, wie sich die Helizität von zirkular polari­sierter Synchrotron­strahlung schneller umschalten lässt – und zwar bis zu einer Million Mal schneller als bisher. Die Wissen­schaftler nutzten dazu einen am Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie entwickelten elliptischen Doppel-Undulator und betrieben den Speicherring im Two-Orbit-Modus. Das ist eine besondere Betriebsart, die erst vor kurzem an BESSY II entwickelt wurde und die Basis für die schnelle Umschaltung liefert. Der ultra­schnelle Wechsel der Licht­helizität ist vor allem für Unter­suchungen von Prozessen in magnetischen Materialien interessant und wird schon seit langem von einer großen Nutzer­gemeinde erwartet.

Mit speziellen elliptischen Undulatoren lassen sich In Synchrotron-Strahlungs­quellen wie BESSY II linear, aber auch zirkular polari­sierte Licht­pulse erzeugen. Magnetische Strukturen in Materialien reagieren unter­schiedlich auf zirkular polari­siertes Licht: Je nachdem, ob die Helizität der Röntgen­pulse rechts- oder links­drehend ist, absorbieren sie die Strahlung mehr oder weniger. Das nutzt man seit den 1980er Jahren aus, um statische und dynamische Veränderungen in magnetischen Materialien zu unter­suchen und magnetische Nano­strukturen auf Ober­flächen abzubilden.

Insbesondere für solche abbildenden Verfahren wünscht sich die Nutzer­gemeinde an Synchrotron-Strahlungs­quellen seit langem die Möglichkeit die Helizität des Lichts schnell umzuschalten, vor Allem, weil sich daraus direkt ein magnetischer Bild­kontrast ergibt, der etwa Bits in magnetischen Daten­speichern sichtbar und quanti­fi­zierbar macht. In den für BESSY II typischen elliptischen Undulatoren wird die Helizität des Lichtes durch eine mechanische Verschiebung von meter­langen Anordnungen von starken Permanent­magneten geschaltet, ein Vorgang, der teil­weise Minuten dauert.

Die neue Methode basiert dagegen auf der Kombination solcher Undulatoren mit einem speziellen Orbit des Elektronen­strahls im Speicher­ring, der durch „trans­verse resonance island buckets“, kurz TRIBs, erzeugt wird. Während der Weg der Elektronen im Speicher­ring sich normaler­weise nach einem Umlauf schließt, laufen im TRIBs-Modus die Elektronen bei aufein­ander­folgenden Umläufen auf verschiedenen Bahnen und können so Röntgen­pulse von jeweils anderen Magnet­feld­anordnungen emittieren.

Dass dieses Verfahren tatsächlich funktioniert, konnten HZB-Forscher kürzlich mit Hilfe des vorhandenen Doppel-Undulators UE56-2 bei BESSY II im Rahmen eines Pilot­experiments zeigen: Beim Durch­gang durch eine speziell vorbereitete Magnet­anordnung des Doppel-Undulators gaben in der Tat die Elektronen­pakete aus unter­schied­lichen Bahnen im TRIBs-Modus Röntgen­photonen mit derselben Wellen­länge aber entgegen­gesetzter zirkularer Polari­sation ab. Dadurch können nun prinzi­piell Signale von magnetischen Proben im Zeit­abstand von nur einer Mikro­sekunde mit abwechselnd rechts- und dann links­zirkular polari­sierten Licht­pulsen unter­sucht werden. Im Pilot­experiment wurden die Signale von einer magnetischen Probe von Umlauf zu Umlauf detektiert und der schnelle Helizitäts­wechsel konnte eindeutig nach­ge­wiesen werden. Mit neuen, für diesen Zweck maß­geschnei­derten Undulatoren könnten bei BESSY II im TRIBs-Modus spezielle Beamlines mit ultra­schnellem Helizitäts­wechsel angeboten werden. Perspek­tivisch sind sogar Wechsel im Nano­sekunden­abstand denkbar.

HZB / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  K. Holldack et al.: Flipping the helicity of X-rays from an undulator at unprecedented speed, Commun. Phys. 3, 61 (2020); DOI: 10.1038/s42005-020-0331-5
• Methods and Instrumentation for Synchrotron Radiation Research, Bereich Forschung mit Großgeräten, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie