100-fache Effizienzsteigerung für die Photoionisation

Wenn ein Röntgenphoton ein Atom oder Ion anregt und ein inneres Elektron auf ein höheres Energieniveau hebt, entsteht ein extrem kurzlebiges Zeitfenster. Nur für wenige Femtosekunden – bevor ein anderes Elektron die entstandene Lücke im niedrigeren Energieniveau füllt – besteht die Möglichkeit, dass ein zweites Photon von einem weiteren inneren Elektron absorbiert wird. Dadurch entsteht ein doppelt angeregter Zustand. Ein internationales Forschungsteam hat diese doppelt angeregten Zustände in hochionisiertem Krypton untersucht. Die Messungen erfolgten mithilfe von 5.000 intensiven Röntgenblitzen pro Sekunde, die vom European XFEL erzeugt wurden. Dabei wiesen die verwendeten Photonen alle nahezu die gleiche Energie (oder „Farbe“) auf.

Hochgeladenes Krypton enthüllt Details der Doppel-Anregung

Für ihre Untersuchungen nutzte ein Team von Forschenden des European XFEL, des Max-Planck-Instituts für Kernphysik (MPIK) in Heidelberg sowie sechs weiterer Forschungseinrichtungen aus Deutschland, Italien, Portugal und den USA hochgeladenes Krypton (Kr26+). „Dadurch konnten wir uns ein klares Bild von dem Prozess machen und unerwünschte Einflüsse anderer Elektronen ausschließen“, sagt Thomas Baumann, Operations Leader an der Experimentierstation SQS, wo die Arbeiten durchgeführt wurden. Die Wahl dieser Kryptonionen war besonders vorteilhaft, da die Photonenenergie, die für die beiden Schritte der resonanten Anregung von zwei inneren Elektronen benötigt wird, sehr ähnlich ist. Dies erlaubte die Verwendung eines einfarbigen Röntgenstrahls mit einer geringen Bandbreite von nur 0,5 %.

„Diese Überlappung der Resonanzenergie hat ihren Ursprung in relativistischen Effekten“, erklärt Moto Togawa. „Sie führen zu einer Verschiebung der Energieniveaus der inneren Elektronen, was eine perfekte Doppelresonanz ermöglicht.“ Nach wenigen Femtosekunden zerfällt der doppelt angeregte Zustand durch Elektronenemission. Dadurch wird ein höherer Ladungszustand erzeugt . Die verwendete doppelt resonante Methode steigert die Photonenabsorption im Vergleich zur einfachen Photoionisation um mehr als das Hundertfache. Das erhöht die Effizienz des Prozesses erheblich.

Doppelte Anregung ebnet Weg für künftige Röntgenexperimente

Laut José Crespo López-Urrutia, „vertieft dieser Effekt nicht nur unser Verständnis davon, wie Licht und Materie unter extremen Bedingungen interagieren, sondern eröffnet auch neue Möglichkeiten für hochpräzise Röntgenmessungen.“ Die Wissenschaftler:inen gehen davon aus, dass ihre Ergebnisse als effizientes Anregungsschema für zukünftige zeitaufgelöste Experimente dienen können. Dieses Schema könnte insbesondere unter Verwendung des Zweifarbenmodus des SASE3-Undulators am European XFEL Anwendung finden. Darüber hinaus wäre eine Ausweitung auf Experimente mit harter Röntgenstrahlung denkbar. Dafür könnten XFELOs (X-ray Free-Electron Laser Oscillators) genutzt werden, die derzeit ebenfalls am European XFEL entwickelt werden.

Quelle

European XFEL GmbH (11/2025)