Erster atomarer Röntgenlaser

21.02.2012
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Eine internationale Forschergruppe hat den ersten Röntgenlaser auf Atom-Basis konstruiert. Mithilfe von Neonatomen erzeugten sie ultrakurze Röntgenblitze von einzigartiger Farbreinheit. Solche Laserpulse erlauben, den Ladungstransport bei der Fotosynthese mit atomarer Auflösung zu studieren, um ihn in technischen Systemen nachzuahmen. Auch über die elektronischen Prozesse in fotovoltaischen Elementen können Physiker mithilfe des atomaren Röntgenlasers mehr erfahren.

«Ein atomarer Röntgenlaser erzeugt Laserlicht mit etwa 60-mal schärfer definierter Wellenlänge als ein Freie-Elektronen-Röntgenlaser. Ausserdem bleibt seine Wellenlänge stabil. Seine Pulse sind kürzer, und er weist ein glatteres Pulsprofil auf», erläutert Nina Rohringer, Wissenschaftlerin am Hamburger CFEL. Gemeinsam mit Kollegen des kalifornischen Forschungszentrum SLAC Lawrence Livermore National Laboratory und der Colorado State University hat die Physikerin den atomaren Röntgenlaser realisiert.

 

Ein Freie-Elektronen-Laser pumpt den atomaren Röntgenlaser

 

Dieser Laser erlaubt mit seinen sehr kurzen und einfarbigen Pulsen nicht nur, elektronische Prozesse mit extrem hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung zu beobachten, wie ein Elektron bei der Fotosynthese durch das beteiligte Molekül hüpft. «Mit einem solchen Laser können wir auch nicht-lineare Effekte studieren», sagt Nina Rohringer. Die Forscher könnten damit die optischen Eigenschaften so manipulieren, dass sich Licht darin nur noch mit dem Tempo eines Dauerläufers bewegt. Das wiederum ist nicht nur für Physiker ein spannender Effekt, sondern könnte sich auch in der Fotonik als nützlich erweisen, die elektronische Bauteile mit Licht betreibt.

 

Eine Filmkamera für chemische Reaktionen

 

Die Röntgenlaser auf Basis freier Elektronen und auf Atombasis sind einerseits für unterschiedliche Aufgaben geeignet, können andererseits aber auch sehr gut zusammenarbeiten: Ihre Röntgenblitze besitzen unterschiedliche Wellenlängen, so dass ein Zweifarben-Röntgenlaser entsteht, bei dem beide Pulse optimal synchronisiert sind. «Das können wir nutzen, um mit einem Puls einen Prozess zu starten und diesen Prozess dann mit dem Puls anderer Farbe nach einer bestimmten Zeit abzulichten», erklärt Nina Rohringer. Führt man dabei einen der Pulse über einen fest definierten Umweg, lässt er sich um eine gewünschte kurze Zeitspanne verzögern. Somit lassen sich verschiedene Stadien einer chemischen Reaktion ablichten. Da beide Pulse zeitgleich erzeugt werden, lässt sich diese Zeitspanne genau bestimmen. (Ko)

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