Röntgenstrahlung jenseits der Nobelpreis-Grenze

Werden Atome mit intensiven Laserstrahlen bestrahlt, können sie hochfrequente Laserpulse im Röntgenbereich emittieren. Für die Entwicklung dieser ultrakurzen Pulse wurde 2023 der Physik-Nobelpreis verliehen. Bisherige theoretische Modelle sagten jedoch eine strikte Obergrenze für die erzielbare Photonenenergie voraus. Oberhalb dieses sogenannten Energie-Cutoffs bricht die Effizienz der Erzeugung kohärenter Röntgenstrahlung drastisch ein. Einem Forschungsteam der TU Wien und der University of California, San Diego, gelang es nun, diese fundamentale Grenze durch die gezielte Nutzung von Helium-Atomen zu durchbrechen.

Der Rekombinationsmechanismus im Starkfeld

„Der Mechanismus, der hinter den kurzen Röntgenpulsen steckt, ist schon lange bekannt“, sagt Prof. Tenio Popmintchev. „Der Laser entreißt dem Atom ein Elektron, das Elektron wird daraufhin im elektrischen Feld des Lasers beschleunigt, bis es schließlich wieder mit dem Atom kollidiert. Die Energie, die es dabei verliert, wird in Form von Licht abgegeben.“

Durch diese Hohe-Harmonischen-Erzeugung (HHG) entstehen Vielfache der fundamentalen Treiberfrequenz. „Man kann zeigen: Wenn das Elektron zu seinem Atom zurückkehrt, erzeugt es eine ganze Reihe verschiedener Frequenzen in ungefähr gleicher Stärke. Aber es gibt eine Obergrenze. Frequenzen oberhalb dieser Grenze sind viel schwächer, mehr als eine bestimmte Maximalfrequenz lässt sich einfach nicht erzielen“, erläutert Popmintchev die bisherige physikalische Limitierung.

Quantenkorrelation als Energiespeicher

Die Forschenden nutzten das Helium-Atom, um zwei Elektronen sequenziell zu ionisieren und im Laserfeld zu beschleunigen. Durch die starke quantenmechanische Korrelation der beiden Teilchen lässt sich deren Bewegungsdynamik präzise synchronisieren.

„Wir können erreichen, dass schließlich beide Elektronen genau zur selben Zeit zum Atom zurückkehren“, sagt Dimitar Popmintchev. „Nun wird also auf einen Schlag die Energie von zwei Elektronen frei. Und wenn mehr Energie zur Verfügung steht, dann kann ein höherenergetisches Röntgen-Photon mit höherer Frequenz entstehen.“

Im experimentell erfassten Spektrum zeigte sich oberhalb des klassischen Ein-Elektronen-Plateaus ein zweites, spektral deutlich höher gelegenes Plateau. Dieser Effekt trat spezifisch bei Helium auf, dessen ausgeprägte Elektronenkorrelation bei schwereren Edelgasen wie Neon oder Argon in dieser Form nicht vorliegt.

Spektroskopische Anwendung für Vielteilchensysteme

Die neuartige kohärente Röntgenstrahlung dient primär als hochempfindlicher spektroskopischer Sensor für korrelierte Elektronensysteme. Parameter wie spektrale Form, Cutoff-Energie und Polarisationsabhängigkeit erlauben direkte Rückschlüsse auf die Elektron-Elektron-Wechselwirkung auf der Attosekunden-Zeitskala. Das Verfahren lässt sich künftig auf Moleküle sowie stark korrelierte Festkörper übertragen. Damit entwickelt sich die Hohe-Harmonischen-Erzeugung von einer Methode zur Pulserzeugung hin zu einem analytischen Werkzeug für Vielteilchenprozesse, was relevante Impulse für das Materialdesign und die Quantentechnologie liefert.

Quelle

Technische Universität Wien (08/2026)