Das nukleare Orchester: Synchron strahlende Atomkerne als Lichtquelle für präzise Messungen

Elektromagnetische Strahlung ist eines der mächtigsten Werkzeuge zur Untersuchung der Struktur und Dynamik von Materie. Ein wichtiger Meilenstein war die Entwicklung der Spektralanalyse durch Bunsen und Kirchhoff (1861) in Heidelberg: Da jedes Element nur bei bestimmten Wellenlängen Licht aussendet, lässt es sich durch Analyse des Lichtspektrums identifizieren. Die Quantenmechanik erklärt dieses Verhalten, indem sie jede Wellenlänge mit einem Übergang zwischen diskreten atomaren Energieniveaus verknüpft. Diese Wechselwirkung bildet die Grundlage für Experimente zur Messung und Steuerung der Quantendynamik von Materie mittels Licht, wie sie am MPIK durchgeführt werden.

Nicht alle Übergänge zwischen Energieniveaus verhalten sich gleich. Manche reagieren auf einen breiten Wellenlängenbereich, andere nur auf einen sehr schmalen – eine Eigenschaft, die als spektrale Breite bezeichnet wird. Extrem schmale Übergänge sind besonders wertvoll, da sie ultrapräzise Messungen ermöglichen, beispielsweise bei der Entwicklung von Atomuhren oder bei der Suche nach neuer Physik jenseits des Standardmodells. Der Nachteil: Sie erfordern extrem intensive Lichtquellen. Es ähnelt einem Zielschießen – ein großes Ziel ist leicht zu treffen, bietet aber wenig Präzision; ein kleines Ziel ist präzise, wird aber selten getroffen.

Zu den schmalsten bekannten Übergängen zählen jene, die 1958 in Heidelberg von Rudolf Mößbauer (Nobelpreis 1961) entdeckt wurden. Diese Mößbauer-Übergänge gehen mit harter Röntgenstrahlung einher und finden heute in allen Bereichen der Wissenschaft Anwendung – von der Analyse von Pigmenten in antiken Kunstwerken über die Suche nach Wasser auf dem Mars bis hin zur Überprüfung grundlegender physikalischer Prinzipien.

Die derzeit leistungsstärksten Röntgenquellen sind Freie-Elektronen- Röntgenlaser (XFEL). In kilometerlangen Anlagen werden Elektronen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und in Magnetfeldern auf einen Schlangenlinienkurs gebracht, wodurch intensive, ultrakurze Röntgenblitze entstehen. XFEL ermöglichen es Wissenschaftlern, atomare und molekulare Bewegungen in Echtzeit zu beobachten. Allerdings deckt ihr Licht eine spektrale Breite ab, die etwa eine Milliarde Mal größer ist als z. B. die des gut untersuchten Mößbauer-Übergangs in Eisen-57. Daher reagiert nur ein winziger Bruchteil der Strahlung effektiv mit den Kernen, was den Fortschritt der Experimente einschränkt.

Um diese Herausforderung zu meistern, haben Forschende am Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK) in Heidelberg ein neues Konzept zur Erzeugung intensiver und spektral schmaler Röntgenstrahlung entwickelt, die sich zur Untersuchung von Mößbauer-Kernen eignet. Das Prinzip ist vom XFEL-Betrieb inspiriert, bei dem Elektronen in der oben beschriebenen Weise Röntgenstrahlung emittieren. XFEL erreichen ihre enorme Intensität durch die räumliche Bündelung von Elektronen, wodurch ihre emittierten Wellen konstruktiv interferieren – ein Mechanismus, der als Superradianz bekannt ist.

Bei dem neuen Ansatz schlagen die Forschenden vor, die in XFELs erzeugten, räumlich strukturierten Elektronenpakete wiederzuverwenden, die normalerweise nach der Erzeugung des XFEL-Lichts entsorgt werden. Doch anstatt die Elektronen wie beim XFEL auf einen Schlingerkurs zur bringen, werden die spektral schmalen Übergänge in den Mößbauer-Kernen selbst genutzt, um Röntgenstrahlung zu erzeugen. Bewegen sich die Elektronen entlang der Oberfläche eines aus Mößbauer-Kernen bestehenden Kristalls, so kann ihr elektrisches Feld die Kerne zur Emission kohärenter, schmalbandiger Röntgenstrahlung anregen. „Die räumliche Strukturierung des Elektronenstrahls führt wiederum zu einer enormen interferometrischen Verstärkung der emittierten Intensität“, erklärt der Erstautor Ze-an Peng. Durch die systematische Analyse aller möglichen Streugeometrien fand das Team eine optimale Konfiguration, die frühere Methoden zur Erzeugung von Mößbauer-Strahlung mithilfe von Kristallen um viele Größenordnungen übertrifft. „Da der Kristall nur zentimetergroß ist und vorhandene XFEL-Elektronenstrahlen wiederverwendet werden, könnte die Quelle parallel betrieben werden, ohne dass ein neues Großgerät gebaut werden müsste“, erklärt Peng.

Mit Blick auf die Zukunft eröffnet dieses Konzept den Zugang zu bislang unerforschten Anregungsbereichen in der Mößbauer-Forschung und birgt das Potenzial, die Leistungsfähigkeit aktueller XFEL erheblich zu erweitern – wodurch neue Präzisionsexperimente ohne den Aufbau zusätzlicher großer Infrastrukturen ermöglicht werden.

Originalpublikationen:

Superradiant parametric Mössbauer radiation source
Ze-an Peng, Christoph H. Keitel and Jörg Evers
Physical Review Letters 137, 035001, DOI: https://doi.org/10.1103/ydpq-zy7k

Parametric Mössbauer radiation in the grazing-diffraction geometry: Specular diffraction and superradiant amplification
Ze-an Peng, Christoph H. Keitel and Jörg Evers
Physical Review A 114, 013115, DOI: https://doi.org/10.1103/s93l-3hr5

Weblinks:

Abteilung ‘Theoretische Quantendynamik und Quantenelektrodynamik’ am MPIK