Röntgenstrahlung: Jenseits der Nobelpreis-Grenze
Ein Experiment an der TU Wien erzeugte Röntgenstrahlung mit höherer Energie, als sie nach üblichen Regeln haben dürfte.
Wenn man bestimmte Atome mit Laserstrahlen beschießt, dann können sie ihrerseits eine ganz andere Sorte von Laserlicht erzeugen – Laserpulse mit einer sehr hohen Frequenz im Röntgenbereich. Für diese Laserpulse, mit denen man in den 1990er-Jahren an der TU Wien Rekorde aufstellte, wurde 2023 der Physik-Nobelpreis vergeben. Allerdings sagt das gängige Modell dieses Effekts auch klar voraus: Es gibt eine Obergrenze für die Energie – abhängig von den Eigenschaften des Laserstrahls, den man auf die Atome strahlt. Oberhalb eines bestimmten Werts, den man als „Energie-Cutoff“ bezeichnet, wird kaum noch Röntgenstrahlung produziert.
Nun allerdings gelang ein neues Experiment, gemeinsam durchgeführt von der TU Wien und der Universität von Kalifornien in San Diego, in dem diese Cutoff-Regel überlistet wurde: Mit Helium-Atomen schaffte man es, in einen noch viel höheren Energiebereich vorzudringen, als die bisherige Theorie erlauben würde. Verantwortlich dafür ist das Zusammenspiel der beiden Elektronen des Helium-Atoms: Sie geben ihre Energie gleichzeitig ab. Dieser Effekt wurde nun im Fachjournal „Nature Photonics“ publiziert.
Den Atomen ein Elektron entreißen
„Der Mechanismus, der hinter den kurzen Röntgenpulsen steckt, ist schon lange bekannt“, sagt Prof. Tenio Popmintchev vom Institut für Photonik der TU Wien. „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.“ So entstehen Laserpulse mit Frequenzen, die deutlich höher sind als die Frequenz des Lasers, den man ursprünglich auf das Atom geschossen hatte.
Genau diesen Effekt nutzte Nobelpreisträger Ferenc Krausz in den 1990er-Jahren. Tenio Popmintchev forscht mit seinem Team heute am selben Institut wie damals Ferenc Krausz – und geht über die damaligen Möglichkeiten noch einmal deutlich hinaus: „Man kann zeigen: Wenn das Elektron zu seinem Atom zurückkehrt, erzeugt es eine ganze Reihe verschiedener Frequenzen in ungefähr gleicher Stärke“, sagt Dimitar Popmintchev, Postdoc im Team von Tenio Popmintchev an der TU Wien. „Aber es gibt eine Obergrenze. Frequenzen oberhalb dieser Grenze sind viel schwächer, mehr als eine bestimmte Maximalfrequenz lässt sich einfach nicht erzielen.“
Zwei Elektronen sind besser als eines
Aber was passiert, wenn nicht nur ein Elektron im Spiel ist, sondern gleich zwei? Das Team von Tenio Popmintchev verwendete Heliumatome, denen man zwei Elektronen entreißen kann – und zwar eins nach dem anderen. Das erste Elektron wird entfernt und beschleunigt, danach folgt das zweite Elektron. Die beiden Elektronen sind allerdings nicht unabhängig voneinander, sie sind quantenphysikalisch miteinander korreliert.
„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.“
Diese bemerkenswert hohen Röntgen-Frequenzen hat das Team nun im Experiment entdeckt. Im gemessenen kohärenten Spektrum erschien oberhalb des bereits bekannten Bereichs ein zweites, schwächeres Plateau bei wesentlich höheren Photonenenergien.
Zu sehen ist das nur bei Helium – einem Atom mit einem der stärksten Elektronenkorrelationen. Argon- oder Neon-Atome zeigen dieses Verhalten nicht – ein weiterer Hinweis, dass das besondere Zusammenspiel der beiden Elektronen des Heliumatoms hier ausschlaggebend ist.
Diese neue „Sorte“ von kohärenter Röntgenstrahlung ist vor allem als neuer spektroskopischer „Sensor“ für Elektronen-Korrelationen interessant. Ihre Form, ihre Energiegrenze und ihre Abhängigkeit von der Polarisation des Lasers können Informationen darüber liefern, wie zwei Elektronen auf Attosekunden-Zeitskalen miteinander wechselwirken. Langfristig könnte sich das Prinzip auch auf Moleküle oder stark korrelierte Festkörper übertragen lassen. So wird die Erzeugung von “High Harmonics”, die einst den Weg zur Attosekundenphysik eröffnete, nun selbst zu einer Sonde für quantenphysikalische Vielteilchenprozesse, mit fundamentaler Bedeutung für Quantencomputer und dem Design neuartiger Nanomaterialien.
Wissenschaftlicher Ansprechpartner:
Prof. Tenio Popmintchev
Institut für Photonik
Technische Universität Wien
+43 1 58801 38774
tenio.popmintchev@tuwien.ac.at
Originalpublikation:
S.Wang et al., Correlated electrons extend X-ray high-harmonic generation beyond the single-electron limit, Nature Photonics (2026)
https://doi.org/10.1038/s41566-026-01976-2
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