Diamanten sind auch des Forschers bester Freund

An verschiedenen Orten weltweit entstehen Röntgenlaser – Röntgenlichtquellen einer neuen Generation, die auf dem Prinzip des Freie-Elektronen-Lasers beruhen. Seit 2010 liefert der amerikanische Röntgenlaser LCLS in Stanford, erste Laserpulse im harten Röntgenbereich, seit Juni 2011 auch die Anlage SACLA im japanischen Hyogo. Am PSI soll 2016 mit dem SwissFEL eine vergleichbare Forschungsanlage in Betrieb gehen. Die Röntgenstrahlung wird in extrem kurzen Lichtblitzen ausgesandt, die nur rund 100 Femto-Sekunden (= 0,0000000000001 Sekunden) dauern und deren Helligkeit die der heute verfügbaren Röntgenquellen um das Milliardenfache übertrifft.

Diese einmalige Kennzahl ermöglicht Forschern eine Vielzahl von neuen wissenschaftlichen Experimenten in den verschiedensten Disziplinen. Die Beobachtung von Materie unter solch extremer Bestrahlung schafft Erkenntnisse in der Materialforschung. Durch die sehr kurze Pulsdauer kann der Ablauf sehr schneller chemischer Reaktionen verfolgt werden und so zum besseren Verständnis der Katalyse beitragen, die in der chemischen Industrie eine zentrale Rolle spielen.

Die höchsten Erwartungen ruhen jedoch auf der Möglichkeit, den genauen Aufbau komplexer Biomoleküle, zu entschlüsseln, die für viele Lebensprozesse verantwortlich sind. Mit heutigen Verfahren ist das nur möglich, wenn man die Moleküle in der regelmässigen Struktur eines Kristalls anordnen kann, der mindestens einige Tausendstel Millimeter gross sein muss. Für viele interessante Moleküle kann man aber nur Nanokristalle erzeugen, die sehr viel kleiner sind. Am SwissFEL wird man auch diese winzigen Kristalle untersuchen können. „Dieses Experiment stellt die Wissenschaftler vor grosse Herausforderungen“ erklärt Rafael Abela, einer der beiden Leiter des SwissFEL-Projekts „Da die Strahlung zu einer Zerstörung der Moleküle führt, muss die Abbildung mit einzelnen Pulsen geschehen – quasi mit einer Belichtungszeit, welche schneller ist als der Strahlenschaden. Dazu ist es erforderlich, die an sich schon äusserst hellen Röntgenpulse in einen kleinstmöglichen Fleck zu fokussieren, um die notwendige Strahlungsdichte zu erreichen.“

Beugung statt Reflexion

Genau hier setzt Christian David, Experte für Röntgenoptik am PSI, mit seinen Ideen an. Er beschäftigt sich bereits jetzt mit der Instrumentierung für den geplanten schweizerischen Röntgenlaser SwissFEL. Während man in den USA und Japan in erster Line auf Spiegelsysteme zur Bündelung der Lichtpulse setzt, entwickeln David und sein Team Röntgenlinsen, die nicht auf Reflektion sondern auf Diffraktion beruhen. Das heisst, sie nutzen die Welleneigenschaften des Lichts: Die Lichtwellen überlagern sich so, dass sie sich in einem kleinen Bereich verstärken und überall sonst auslöschen. Diese Linsen sind als so genannte Fresnel-Zonenplatten ausgeführt – sie bestehen aus konzentrischen Ringen, die abwechselnd verschiedene optische Eigenschaften haben Ähnliche Linsen sieht man bisweilen an der Heckscheibe von Kleinbussen, wo sie wie ein „Fischauge“ wirken und so einen guten Überblick über die Dinge hinter dem Auto ermöglichen. Für Röntgenstrahlung mit einer tausendmal kleineren Wellenlänge als sichtbares Licht müssen diese Ringstrukturen jedoch erheblich kleiner sein: nur etwa 100 Nanometer, also 0,0001 Millimeter dick sind die einzelnen Ringe einer solchen Zonenplatte. Zu ihrer Herstellung bedient sich David der Nanolithographie, eines Verfahrens, das bei der Produktion von Computerchips Anwendung findet.

Der Einsatz von Zonenplatten zur Fokussierung von Röntgenstrahlung ist an sich nichts Neues. "Wir entwickeln bereits seit einiger Zeit solche Optiken für Röntgenmikroskope an Synchrotronlichtquellen wie zum Beispiel der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS. Allerdings wurden Zonenplatten für Experimente an Röntgenlasern nicht ernsthaft in Erwägung gezogen. Man ging davon aus, dass ihre fragilen Nanostrukturen durch das extrem intensive Röntgenlicht sehr rasch zerstört würden." Dies bewahrheitete sich zunächst auch in Versuchen, die David mit seinen Kollegen am Laser in Stanford durchführte: herkömmliche Zonenplatten aus Goldstrukturen waren bereits nach kürzester Zeit im heissen Strahl buchstäblich zerflossen.

Diamant als ideales Material

Die ideale Alternative bietet Diamant. Es ist das Material mit der höchsten Wärmeleitfähigkeit, so dass es die Wärme, die bei der Bestrahlung entsteht, gut ableitet. Es zersetzt sich auch nicht, wenn es erwärmt wird und ist für Röntgenlicht fast transparent.

Jedoch wurde dieses Material noch nie für Zonenplatten verwendet, so dass ein Prozess zur ihrer Herstellung entwickelt werden musste. Durch Beschuss mit Sauerstoff-Ionen konnten sehr schmale und vergleichsweise tiefe Ringstrukturen in den Diamant geätzt werden. Zusätzlich wurden die Strukturen an der Universität Helsinki mit hochschmelzendem Iridium gefüllt. Es zeigte sich, dass diese Materialkombination dem Röntgenlaser in Stanford auch auf Dauer widerstehen konnte.

Rekordverdächtig: Viel Energie an einem Punkt

Aufgabe der Linsen ist, viel Strahlungsenergie auf einen möglichst kleinen Punkt zu konzentrieren. Zu messen, einen wie kleinen Punkt man optimal erreichen sollte, stellte sich als ein eigenes Problem heraus. Eine Messung mit herkömmlichen Methoden konnte nicht durchgeführt werden – durch die hohe Spitzenleistung im Brennpunkt der Zonenplatten wären die üblicherweise genutzten Teststrukturen durchlöchert worden. Stattdessen nutzten die Forscher am amerikanischen Laser diesen zerstörerischen Effekt, indem sie die Grössen von Löchern in Metalloberflächen bestimmten, die von den fokussierten Röntgenpulsen erzeugt wurden. Daraus liess sich eine Fokusgrösse von 320 Nanometern (Millionstel Millimeter) ableiten – bei einem Querschnitt des ursprünglichen Strahls von 0,5 Millimeter. Das Röntgenlicht war an diesem Punkt 100'000 mal intensiver als im ursprünglichen Strahl. Das ist der beste Wert, der jemals mit Strahlung eines Röntgenlasers realisiert wurde.

Verbesserungspotential vorhanden

Die Leistungsfähigkeit der diamantenen Fresnel-Zonenplatten kann noch deutlich gesteigert werden. Zum einen war die Fokusgrösse durch „Farbfehler“ begrenzt: Die vom Röntgenlaser erzeugten Pulse enthalten gewissermassen Licht verschiedener Farben, und die einzelnen Farben werden auf verschiedene Punkte fokussiert. Die Bandbreite der „Farben“ wird beim SwissFEL deutlich kleiner sein als in Stanford, so dass dort eine zehnfach höhere Konzentration der Strahlungsdichte möglich sein dürfte. Auch die Effizienz der Zonenplatten lässt sich noch steigern: in den beschriebenen Experimenten wurde nur 10% der ankommenden Energie im Brennpunkt konzentriert. „Ich bin mir sicher, dass bereits Ende dieses Jahres Werte von über 30% demonstriert werden können.“ so David.

In Zahlen

Die Leistungsdichte des konzentrierten Strahl betrug im Fokus beträgt etwa 4×10¹⁷ W/cm² – bei einer Effizienz der Zonenplatte von 10%. Für ein Molekül im Fokus der Zonenplatte entspricht dies einer Dosis von 10'000 Röntgenquanten pro Atom. Durch die verbesserte Effizienz und die Reduktion des Farbfehlers, werden es bei der verbesserten Version werden es 300'000 Röntgenlichtteilchen auf jedes Atom sein.

Über das PSI

Das Paul Scherrer Institut entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Festkörperforschung und Materialwissenschaften, Elementarteilchenphysik, Biologie und Medizin, Energie- und Umweltforschung. Mit 1400 Mitarbeitenden und einem Jahresbudget von rund 300 Mio. CHF ist es das grösste Forschungsinstitut der Schweiz.