Röntgenlicht ist wie Gitarrenmusik

(openPR) Mit ultrakurzen Laserpulsen kann man Röntgenstrahlung erzeugen. Allerdings bekommt man dabei normalerweise nur ganz bestimmte Frequenzen. Ein Team der TU Wien und der University of California San Diego hat nun eine Methode entwickelt, mit der man die Frequenz kontinuierlich einstellen kann.

Mit Hilfe eines sechs Meter langen, gasgefüllten Wellenleiters, gefüllt mit dem passenden Gas, kann man die Lichtfrequenzen so „verstimmen“, dass man am Ende genau die Röntgenfrequenz bekommt, die man braucht. Die Ergebnisse wurden im Fachjournal Communications Physics veröffentlicht.

Harmonische Obertöne

Seit vielen Jahren nutzt man einen atomphysikalischen Trick für die Herstellung hochfrequenter Röntgenstrahlung: Man bestrahlt Atome mit einem Laser, das kann dazu führen, dass die Atome ihrerseits eine ganze Reihe von Frequenzen produzieren – nämlich ganzzahlige Vielfache der Ursprungsfrequenz. Man spricht in diesem Fall von „hohen Harmonischen“ (high harmonics).

Das erinnert an Musikinstrumente: Auch akustische Frequenzen werden oft nicht einzeln, sondern in ganzen Serien erzeugt. Spielt man etwa auf einer Geige einen Ton mit 440 Hertz, entstehen dabei automatisch auch Obertöne mit 880 Hertz oder noch höheren Vielfachen der Grundfrequenz.

In der Laserphysik spricht man oft von einem „Frequenzkamm“, weil die Frequenzen, die man bekommt, immer einen ganz bestimmten Abstand voneinander haben, so wie die Zähne eines Kamms. Der Vorteil: Mit einer einzigen Versuchsanordnung kann man eine ganze Reihe von Frequenzen erzeugen. Der Nachteil: Braucht man genau eine Wellenlänge, die zwischen zwei solchen „Frequenz-Zähnen“ liegt, ist der Versuchsaufbau nicht hilfreich. Das ist ein Problem, wenn man etwa eine atomare Resonanz anregen möchte, für die man eine ganz bestimmte Frequenz benötigt.

Gitarren mit Bünden und Slide-Gitarren

Ein Team der TU Wien und der University of California San Diego hat dieses Problem nun gelöst: Die Forschenden entwickelten eine Methode, mit der sich die Frequenzen kontinuierlich verschieben lassen – bis die gesamte Lücke zwischen zwei benachbarten Frequenzkamm-Zähnen abgedeckt ist.

„Seit Jahrzehnten verhält sich Hochharmonischen-Licht ein bisschen wie eine Gitarre mit festen Bünden“, sagt Prof. Tenio Popmintchev vom Institut für Photonik der TU Wien. „Man bekommt bestimmte Töne, in genau den Abständen, die die Physik vorgibt. Was wir nun gebaut haben, ähnelt eher einer Slide-Gitarre im Röntgenbereich: Wir können die Frequenz kontinuierlich zwischen den Harmonischen nach oben oder unten verschieben und genau die Energie einstellen, die wir brauchen.“

Der Trick besteht darin, nicht direkt die Röntgenstrahlung zu verändern, sondern den Laser, mit dem sie erzeugt wird. Wenn die Röntgenfrequenzen so etwas wie „Obertöne“ sind, nämlich ganzzahlige Vielfache der Laserfrequenz, dann heißt das: Ändert man die Frequenz des treibenden Lasers ein wenig, führt das zu einer großen Veränderung der resultierenden Röntgenfrequenzen. Schon eine vergleichsweise kleine Verschiebung der Laserwellenlänge kann daher im Röntgenbereich ausreichen, um den gesamten Abstand bis zur nächsten Harmonischen zu überbrücken.

Sechs Meter langer Wellenleiter

Technisch ist das allerdings anspruchsvoll. Das Team verwendete einen Ytterbium-Infrarotlaser, dessen Licht durch einen sechs Meter langen, mit Gas gefüllten Hohlwellenleiter geschickt wird. Dort verändert eine starke nichtlineare Wechselwirkung zwischen Licht und Gas das Spektrum des Pulses. Dieses veränderte Infrarotlaserlicht wird dann mit Hilfe eines Kristalls in sichtbares Licht umgewandelt, und erst dieses spezielle sichtbare Licht, in einem Farbbereich zwischen blau und gelbgrün, wird dann auf Heliumatome geschossen.

Gegenüber dem Infrarotlicht, das normalerweise dafür verwendet wird, hat dieses sichtbare Licht entscheidende Vorteile: Es kann viel besser kontrolliert werden, sodass es exakt im gewünschten Takt schwingt, der zum Schwingungstakt der entstehenden Röntgenstrahlen passt. Nur wenn diese Takt-Präzision – physikalisch gesprochen: die Phasenanpassung – gegeben ist, können die beleuchteten Atome gemeinsam einen intensiven Röntgenstrahl mit besonders schmalen Spektrallinien erzeugen, anstatt unkoordinierte Röntgenwellen auszusenden, die einander gegenseitig auslöschen.

Auch auf Ebene der einzelnen Atome gibt es einen Vorteil: Beim sichtbaren Laserlicht werden die Elektronen in kürzerer Zeit beschleunigt und rekombinieren schneller wieder mit dem Atom als bei Infrarotpulsen. Dadurch hat das quantenmechanische Elektronenwellenpaket weniger Zeit, sich auszubreiten, und die Erzeugung der hohen Harmonischen wird effizienter.

„Eine spektrale Verbreiterung, wie wir sie in unserer Gasröhre erzeugen, bedeutet normalerweise, dass man die Kontrolle über den Puls verliert“, sagt Dr. Dimitar Popmintchev vom Institut für Photonik der TU Wien, Erstautor der Studie. „Wir haben erkannt, dass genau dieselbe Nichtlinearität auch verwendet werden kann, um den Puls gezielt zu steuern.“

Je nach verwendetem Gas lässt sich das Spektrum in unterschiedliche Richtungen verschieben. Atomare Gase verbreitern es sowohl zu höheren als auch zu niedrigeren Frequenzen. „Molekulare Gase können durch den Energieaustausch mit ihren inneren Freiheitsgraden gezielt eine stärkere Verschiebung zu längeren Wellenlängen bewirken. Über die Gasart und den Druck kann daher eingestellt werden, wohin und wie weit sich die Laserfrequenz verschiebt“, sagt Paolo Carpeggiani von der TU Wien. Entscheidend ist dabei, dass die Röntgenstrahlung über den gesamten Einstellbereich hell bleibt und die schmalen Spektrallinien erhalten bleiben.

Licht passend zum Experiment

Besonders interessant ist die neue Methode für Experimente, bei denen die Lichtfrequenz exakt auf eine bestimmte Resonanz abgestimmt werden muss. Zentral ist das etwa für Präzisionsspektroskopie, Kernuhren oder Halbleiter-Metrologie. „Die Natur legt ihre Resonanzen nicht dort hin, wo zufällig unsere Harmonischen liegen“, sagt Tenio Popmintchev. „Wenn wir einen ganzen Energiebereich kontinuierlich durchfahren können, statt nur zwischen festen Frequenzen hin- und herzuschalten, werden viele Experimente überhaupt erst praktisch möglich – und das mit einem Apparat auf Laborskala, viel kleiner als große Photonen-Fabriken wie Synchrotrons oder Freie-Elektronen-Laser.“

Die Vision dahinter ist eine möglichst flexibel gestaltbare Lichtquelle: Nicht das Experiment soll an die zufällig verfügbaren Eigenschaften der Strahlung angepasst werden – sondern die Strahlung an das Experiment

wissenschaftliche Ansprechpartner:
Prof. Tenio Popmintchev
Institut für Photonik
Technische Universität Wien
+43 1 58801 38774

Originalpublikation:
Popmintchev, D., Imani, A., Roman, J. et al. Narrowband and wavelength-tuneable bright EUV–soft-X-ray harmonics for resonant imaging and spectroscopy. Commun Phys (2026). https://doi.org/10.1038/s42005-026-02791-5