Kompakt x

Als der erste Freie-Elektronen-Röntgenlaser (XFEL) 2009 am SLAC National Accelerator Laboratory in Kalifornien eröffnet wurde, bot er eine neue Sicht auf die Welt auf atomarer Ebene und enthüllte Details über biochemische Prozesse wie Photosynthese und exotische Materialien wie z als Supraleiter. Doch seitdem wurden weltweit nur vier weitere solcher milliardenschweren Anlagen gebaut, und es ist schwierig, dafür Zeit zu finden.

Eine Gruppe von Forschern an der Arizona State University (ASU) in Tempe plant nun den Bau eines neuen Typs von Freie-Elektronen-Lasern, der wesentlich kleiner und billiger ist als alles, was es bisher gab. Diesen Monat kündigte die ASU an, dass sie mit dem 170 Millionen US-Dollar teuren Projekt „Compact X-ray Free Electron Laser“ (CXFEL) beginnen werde, nachdem sie von der National Science Foundation einen Zuschuss in Höhe von 91 Millionen US-Dollar erhalten hatte. Das Design könnte die Maschinen in die Reichweite von Universitätslaboren bringen und ihre Zugänglichkeit erweitern.

„Es ist eine elegante Idee“, sagt Claudio Pellegrini, ein Physiker am SLAC, der seinen XFEL erstmals 1992 vorschlug. „Jeder würde gerne ein kleineres System bauen.“

XFELs sind hervorragende Sonden für die atomare Welt, da kurzwellige Röntgenstrahlen Details auflösen können, die für längerwelliges Licht unsichtbar wären. Darüber hinaus funktionieren die kurzen Femtosekunden-Röntgenpulse wie eine Hochgeschwindigkeitskamera und helfen Forschern dabei, ultraschnelle Prozesse wie die Bewegung von Elektronen und Atomen einzufangen.

Um eine solch höchste räumliche und zeitliche Auflösung zu erreichen, benötigt ein Standard-XFEL einen kilometerlangen Linearbeschleuniger. Es beschleunigt Elektronen auf Energien von 10 Gigaelektronenvolt (GeV) oder 99,9999995 % der Lichtgeschwindigkeit. Anschließend passieren die Elektronen „Undulatoren“ – eine Reihe von Magneten, die in wechselnder Polarität angeordnet sind. Die Elektronen emittieren Röntgenstrahlen, wenn sie sich durch die Magnetfelder bewegen. Durch Wechselwirkungen zwischen Licht und Elektronen bündeln sich die Elektronen und strahlen gemeinsam wie ein Laser.

Das ASU-Team plant, die sperrigen magnetischen Undulatoren durch einen Laser zu ersetzen, der direkt in den entgegenkommenden Elektronenzug strahlt. Mit dem Laser ist, wie mit allen elektromagnetischen Emissionen, ein Magnetfeld verbunden, sagt Bill Graves, ASU-Physiker und Chefwissenschaftler von CXFEL. „Wenn die Elektronen auf den Laser treffen, bewegen sie sich wie in einem Undulator.“ Wo sich jedoch die Polarität von Undulatorfeldern über einige Zentimeter ändert, wippt das Feld des Lasers mit der Wellenlänge des Lichts – nur 1 Mikrometer.

Dieser Ultrahochfrequenz-Undulator ermöglicht es, Elektronen zu bewegen und Röntgenstrahlen mit viel niedrigeren Energien auszusenden. Sie müssen nur auf lediglich 30 Megaelektronenvolt beschleunigt werden, was eine viel einfachere Aufgabe ist als die 10 GeV, die in einem Standard-XFEL benötigt werden. Dadurch verringert sich die Stellfläche des XFEL erheblich von einem Kilometer auf nur noch zehn Meter.

Mit einem Elektronenstrahl niedrigerer Energie kann das Team Kristalldiffraktoren und Magnete verwenden, um die Elektronen fein in dicht gepackte Bündel zu strukturieren. Die gebündelten Elektronen wackeln synchroner miteinander und erzeugen dadurch kohärenteres Röntgenlicht. Die Bündelung führt auch zu einem kürzeren Puls von weniger als einer Femtosekunde.

Solche kurzen Impulse könnten möglicherweise Aufschluss darüber geben, wie Chlorophyllmoleküle während der Photosynthese Sonnenlicht einfangen, sagt Petra Fromme, ASU-Biochemikerin und CXFEL-Teammitglied. „Wir können Dinge betrachten, die noch niemand zuvor gesehen hat.“

Sam Teitelbaum, ein ASU-Physiker, plant, CXFEL als empfindliche Sonde für das Elektronenverhalten in Materialien zu verwenden, die eine Vielzahl ungeklärter Phänomene hervorrufen kann, von Hochtemperatur-Supraleitung bis hin zu exotischen magnetischen Zuständen. Die gewonnenen Erkenntnisse könnten zu neuen supraleitenden Materialien oder zuverlässigeren Datenspeichergeräten führen.

Obwohl das neue Gerät schnelle, kohärente Impulse haben wird, wird es nicht annähernd die gleiche Leistung wie ein Standard-XFEL bieten. Seine Pulse sind viel weniger hell und die einzelnen Röntgenphotonen haben längere Wellenlängen als die seiner größeren Vorgänger. Das bedeutet, dass dem CXFEL einige der kleinsten Details entgehen, die größere XFELs sehen können. Andererseits verursachen die Impulse mit geringerer Energie weniger Schäden an den Proben, die normalerweise von größeren Anlagen zerstört werden.

„Die großen Maschinen – sie sind wie ein Hammer“, sagt Graves. „Wir sind eher wie ein Skalpell.“

Pellegrini bleibt angesichts eines so ehrgeizigen Projekts vorsichtig. Insbesondere sei der Plan des Teams, die Elektronenpulse zu formen, noch nicht bewiesen, sagt er. „Bevor es als XFEL verkauft wird, liegt noch viel Arbeit vor uns.“

Dennoch sind die Forscher hinter dem Projekt optimistisch. Sie haben bereits mit dem Bau des CXFEL begonnen und gehen davon aus, ihn in fünf Jahren in Betrieb zu nehmen. „Jedes Mal, wenn man sieht, dass sich die Dinge schneller bewegen, bekommt man ein Gefühl dafür, wie dynamisch die Welt in diesem Zeitrahmen ist“, sagt Teitelbaum. „Es wird definitiv ein Problem geben, das durch diese Tatsache völlig aufgedeckt wird.“