HZB-Forscher stoßen Tor für die Festkörperphysik auf
An einem Siliziumkristall haben die Forscher gezeigt, wie man inelastische Röntgenstreuung verstärken kann, bei der eine Frequenzverschiebung stattfindet.
©HZB/E. Strickert
Laserprozesse jetzt auch mit Röntgenstrahlen am Festkörper beobachtet
Die physikalische Grundlagenforschung wäre ohne die Vielzahl der heute verwendeten Röntgenmethoden nicht mehr denkbar. In der Festkörperphysik werden sie genutzt, bei biologischen Strukturuntersuchungen ebenfalls, und sogar Kunsthistoriker verdanken den Röntgenstrahlen viele Erkenntnisse. Nun haben Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) eine weitere Anwendungsoption erschlossen. Ein Team um Dr. Martin Beye und Prof. Alexander Föhlisch hat gezeigt, dass Feststoffe auch für Röntgenmessungen zugänglich sind, die auf nichtlinearen physikalischen Effekten beruhen. Bislang war dies nur bei Messungen mit Laserlicht möglich. Sie veröffentlichen ihre Arbeit in der online vorab erscheinenden Ausgabe der Zeitschrift Nature (DOI: 10.1038/nature12449). Ihre Ergebnisse können Einfluss darauf haben, wie neue Röntgenquellen zukünftig konstruiert sein müssen.
So genannte nichtlineare Effekte sind die Grundlage der kompletten Laserphysik. Für Röntgenuntersuchungen schienen sie bislang nicht nutzbar zu sein. Die Physik, die den Röntgenmethoden bisher zugrunde liegt, basiert ausschließlich auf linearen Effekten. Das heißt, wenn die Strahlung auf ein Untersuchungsobjekt trifft, arbeitet jedes Lichtteilchen - das Photon - für sich alleine.
Anders bei Lasern. Die Energie- und Leistungsdichte von eingestrahltem Laserlicht kann so hoch werden, dass die Photonen zusammenarbeiten und beim Wechselwirken mit Materie nichtlineare Effekte auftreten. Dies hat zur Folge, dass Materialien bestimmte Farben des Lichts extrem verstärken. Mit anderen Worten: man bestrahlt einen Kristall mit grünem Licht, das ausgesendete Licht ist rot. Die ausgesendete Farbe kann dabei sehr genau mit Struktureigenschaften des untersuchten Stoffes korreliert werden.
Dass man solche Effekte nun auch mit weicher Röntgenstrahlung erzielen kann und Feststoffe diesem Messprinzip zugänglich sind, hat die Gruppe um Alexan¬der Föhlisch vom HZB nun mit Experimenten an der Hamburger Kurzpulsquelle FLASH am DESY nachgewiesen. „Der Wirkungsgrad von inelastischen Streuprozessen mit weicher Röntgenstrahlung ist normalerweise schlecht“, erläutert Martin Beye, der Erstautor der vorliegenden Arbeit: „Mit unserem Experiment zeigen wir, wie man inelastische Röntgenstreuung geschickt verstärken kann. Ähnlich wie beim Laser arbeiten alle Photonen zusammen und verstärken sich gegenseitig. Wir erhalten so ein sehr hohes Messsignal.“
Mit solchen Aufbauten an Röntgenquellen können zukünftig inelastische Röntgenstreuprozesse effizient genutzt werden, etwa um sehr schnelle Prozesse zu analysieren und zu verstehen. Zum Beispiel das Aufbrechen und Entstehen chemischer Bindungen, Anregungen in Quantenmaterialien (zum Beispiel Supraleitern) sowie ultraschnelle Schaltprozesse.
„Heutige Röntgenquellen sind für die Anwendung von stimulierter inelastischer Streuung gar nicht optimiert“, sagt Alexander Föhlisch. „Mit dem jetzt vorliegenden Ergebnis wissen wir, dass wir auch mit weicher Röntgenstrahlung nichtlineare Effekte nutzen können. Wir brauchen dafür Photonenquellen, die schnell hintereinander kurze Lichtpulse liefern können. Dies gilt es bei der Entwicklung zukünftiger Photonenquellen zu berücksichtigen.“
- BESSY II: Neue Probenumgebung erlaubt Einblick in thermokatalytische ProzesseEine neuartige Messzelle ermöglicht erstmals Untersuchungen mit weicher und harter Röntgenstrahlung unter hohen Drücken von bis zu 20 bar und Temperaturen von bis zu 400 °C. Dies liefert neue Erkenntnisse über thermokatalytische Prozesse, wie beispielsweise die Fischer-Tropsch-Synthese zur Herstellung synthetischer Kraftstoffe. Die Entwicklung der Messzelle gilt als Meilenstein im Rahmen des Care-O-Sene-Projekts.
- Magnetische Bildgebung: Mikroblumen verstärken das lokale MagnetfeldMaterialien mit magnetischen Nanostrukturen bieten viele Anwendungsmöglichkeiten, beispielsweise in der Spintronik. Um solche Materialien zu untersuchen, sind magnetisch empfindliche Bildgebungsverfahren im Nanobereich geeignet, bisher konnten während des Bildgebung jedoch nur schwache Magnetfelder angelegt werden. Nun hat eine internationale Forschungsgruppe unter der Leitung von Dr. Sergio Valencia vom HZB einen Ansatz entwickelt, der diese Einschränkung überwindet. Das Team entwarf winzige Magnetflusskonzentratoren (MFCs). Die Geometrie der MFCs ähnelt einer Blume und fokussiert das angelegte Magnetfeld auf das Zentrum, in dem die Probe sitzt. Die „Mikroblumen“, die das Magnetfeld lokal verstärken, können in vielen nanometrischen magnetischen Mikroskopieverfahren eingesetzt werden.
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