Röntgenblitze mit Rekordintensität sollen Elektronen sichtbar machen

300 Attosekunden kurz, auf nur 180 × 330 Nanometer gebündelt und mit einer Spitzenintensität in der Größenordnung von 10²⁰ W/cm²: Forschende haben am European XFEL bei Hamburg extrem intensive Röntgenpulse erzeugt. Interessant ist dabei nicht allein die kurze Pulsdauer. Erstmals gelang es am European XFEL, solche Attosekundenpulse so stark zu fokussieren, dass die enorme Leistung auf einer winzigen Fläche der Probe ankommt.

Damit könnten künftig Vorgänge untersucht werden, die sich auf der Zeitskala von Elektronen abspielen. Das Experiment fand bereits im April 2026 am Instrument Materials Imaging and Dynamics (MID) statt. Die Ergebnisse sind am 8. Oktober 2026 im Fachjournal Optica erschienen.

„Das ist ein Weltrekord bei Intensität und Fluenz für einen harten Röntgen-Attosekundenpuls“, sagt Erstautor Ichiro Inoue von der Universität Tokio in einer Mitteilung des European XFEL. Das Fachpaper selbst formuliert etwas zurückhaltender: Dort sprechen die Forschenden von Werten, die mit den höchsten bislang bei harter Röntgenstrahlung erreichten Intensitäten und Fluenzen vergleichbar seien.

Was 300 Attosekunden so besonders macht

Eine Attosekunde entspricht 10⁻¹⁸ Sekunden. Die jetzt erzeugten Röntgenpulse dauerten nach Schätzung der Forschenden rund 300 Attosekunden – also 0,0000000000000003 Sekunden.

Diese kurzen Zeiträume sind für die Forschung interessant, weil sich auch elektronische Prozesse in Atomen und Molekülen auf Attosekunden-Zeitskalen abspielen. Wer solche Vorgänge untersuchen will, braucht deshalb extrem kurze Lichtblitze.

Doch kurze Pulse allein reichen nicht. Für viele Experimente müssen gleichzeitig genügend Röntgenphotonen auf eine sehr kleine Fläche treffen. Die hohe Leistung eines Pulses muss also bis zur Probe erhalten und dort stark konzentriert werden.

Der European XFEL bei Hamburg hatte bereits zuvor harte Attosekunden-Röntgenpulse im Terawattbereich erzeugt. Der neue Schritt besteht darin, diese Pulse auf wenige Hundert Nanometer zu fokussieren.

„Vor einigen Jahren haben wir am European XFEL harte Attosekunden-Röntgenpulse im Terawattbereich demonstriert“, sagt DESY-Forscher Jiawei Yan, einer der korrespondierenden Autoren der Studie, in der Mitteilung des European XFEL. „Aber leistungsstarke Pulse zu erzeugen, ist nur der erste Schritt. Für Experimente ist entscheidend, was wir tatsächlich auf die Probe bringen können.“

Zwei Spiegel bündeln die Röntgenpulse auf wenige Hundert Nanometer

Für die Fokussierung nutzte das Team eine sogenannte Advanced-Kirkpatrick-Baez-Optik, kurz AKB. Dabei konzentrieren speziell geformte Röntgenspiegel den Strahl in zwei senkrecht zueinander liegenden Richtungen.

Die Pulse wurden bei dem Experiment insgesamt viermal reflektiert. Die Optik fokussierte sie schließlich auf einen Brennfleck von nur 180 × 330 nm.

Gewöhnliche optische Linsen funktionieren bei harter Röntgenstrahlung nicht wie bei sichtbarem Licht. Eine Möglichkeit zur Fokussierung sind deshalb speziell geformte Spiegel, auf die der Röntgenstrahl unter sehr flachen Winkeln trifft.

Durch die Kombination aus kurzer Pulsdauer und winziger Fokusfläche erreichte die Strahlung eine Spitzenintensität in der Größenordnung von 10²⁰ W/cm². Nach Angaben des European XFEL lag sie sogar oberhalb dieses Wertes.

Diese Zahl beschreibt nicht die dauerhaft abgegebene Leistung der Anlage. Sie gibt an, wie viel Strahlungsleistung für den extrem kurzen Moment des Pulses auf eine bestimmte Fläche konzentriert wird.

Kupferfolie liefert unabhängigen Nachweis

Doch wie lässt sich feststellen, ob am Brennpunkt tatsächlich eine derart hohe Intensität erreicht wird?

Die Forschenden ließen die Pulse dafür auf eine Kupferfolie treffen. Die Röntgenstrahlung schlug Elektronen aus inneren Schalen der Kupferatome. Beim anschließenden Auffüllen dieser freien Plätze wird wiederum Röntgenstrahlung ausgesendet.

Bei sehr hohen Intensitäten kommt ein weiterer Effekt hinzu: Bereits emittierte Photonen können weitere angeregte Atome zur Emission anregen. Das Signal verstärkt sich in eine bevorzugte Richtung. Der Effekt wird als „Amplified Spontaneous Emission“, kurz ASE, bezeichnet.

Mit steigender Pulsenergie nahm dieses ASE-Signal zunächst stark zu und ging anschließend in die Sättigung. Dieses Verhalten bestätigte unabhängig von der Berechnung aus Pulsenergie, Pulsdauer und Fokusgröße, dass tatsächlich eine Spitzenintensität in der Größenordnung von 10²⁰ W/cm² erreicht worden war.

„Normale Fluoreszenz geht in alle Richtungen, unabhängig von der Richtung des einfallenden Strahls. Aber wenn die ASE-Schwelle überschritten wird, sieht man, wie sich der Lichtkegel in Vorwärtsrichtung zusammenzieht“, sagt Anders Madsen, Gruppenleiter am MID-Instrument, in der Mitteilung des European XFEL.

Kupfer kam am European XFEL bereits bei anderen Experimenten zum Einsatz. Forschende des HZDR konnten dort beispielsweise verfolgen, wie Elektronen aus Kupferatomen herausgelöst werden und ein Plasma entsteht. Das aktuelle Experiment verfolgt jedoch ein anderes Ziel: Es demonstriert vor allem, wie stark sich Attosekunden-Röntgenpulse an der Probe konzentrieren lassen.

Was bringt eine Intensität von 10²⁰ W/cm²?

Für die Forschung ist vor allem die Kombination aus kurzer Pulsdauer und hoher Intensität interessant. Sie könnte neue Experimente zu nichtlinearen Wechselwirkungen zwischen Röntgenstrahlung und Materie ermöglichen.

Bei niedrigen Intensitäten reagiert Materie meist auf einzelne Photonen. Steigt die Intensität stark an, können Prozesse auftreten, an denen mehrere Photonen gleichzeitig beteiligt sind. Solche Effekte sind aus der Optik bekannt, im Bereich harter Röntgenstrahlung aber erheblich schwieriger zu untersuchen.

Attosekundenpulse eröffnen zudem die Möglichkeit, Veränderungen elektronischer Zustände auf sehr kurzen Zeitskalen zu verfolgen. „Elektronen sichtbar machen“ bedeutet dabei nicht, einzelne Elektronen wie auf einem Foto abzubilden. Gemessen wird vielmehr, wie sich elektronische Zustände und die Wechselwirkung zwischen Strahlung und Materie verändern.

Das unterscheidet das aktuelle Experiment auch von anderen Arbeiten am European XFEL. Die Anlage wird beispielsweise genutzt, um Materie unter extremen Bedingungen und Prozesse für die Fusionsforschung zu untersuchen.

Auch Strukturen könnten untersucht werden, bevor die Probe verändert wird

Ein weiterer möglicher Einsatzbereich ist die Strukturbestimmung. Extrem kurze Pulse könnten Informationen aus einer Probe liefern, bevor die intensive Röntgenstrahlung ihren Zustand wesentlich verändert.

Die Autoren der Studie nennen außerdem die kohärente Kontrolle von Atomen und Molekülen als langfristige Perspektive. Damit könnten elektronische Abläufe eines Tages nicht nur beobachtet, sondern möglicherweise auch gezielt beeinflusst werden.

Das wurde im aktuellen Experiment allerdings nicht demonstriert. Gezeigt wurde zunächst, dass sich harte Attosekunden-Röntgenpulse auf die dafür erforderlichen hohen Intensitäten fokussieren lassen.

European XFEL bekommt eigene Spezialoptik

Die beim Experiment verwendete AKB-Optik wurde aus Japan nach Schenefeld gebracht. Anfang 2027 erwartet der European XFEL ein eigenes System. Es wird gemeinsam mit der Universität Hamburg und mit Unterstützung des Bundesministeriums für Forschung, Technologie und Raumfahrt finanziert.

Nach Installation und Inbetriebnahme soll die Optik für Experimente am MID-Instrument zur Verfügung stehen. Die extrem stark fokussierten Attosekundenpulse wären damit nicht mehr auf einen einzelnen Versuchsaufbau beschränkt.

Die Attosekundenforschung spielt auch bei den langfristigen Ausbauplänen des European XFEL eine Rolle. Erst am 12. Oktober 2026 trafen sich Fachleute in Schenefeld, um über neue Röntgen-Attosekundenverfahren, wissenschaftliche Anwendungen und die Anforderungen an künftige Erweiterungen der Anlage zu beraten.

Der European XFEL untersucht parallel, wie die Großanlage in den kommenden Jahren weiterentwickelt werden kann. Daneben arbeiten Forschungsgruppen daran, Freie-Elektronen-Laser deutlich kompakter zu bauen. Bis solche Anlagen die Leistungsfähigkeit des 3,4 km langen European XFEL erreichen, ist allerdings noch erhebliche Entwicklungsarbeit notwendig.

Quellen

• Inoue et al.: Generation of high-fluence and high-intensity hard X-ray attosecond pulses at the European XFEL, Optica 13(10), 2159–2162, 2026
• European XFEL: World-record intensity in attosecond hard-X-ray pulses could unlock closer study of electrons in atoms and molecules, 16. Oktober 2026
• Inoue et al.: Preprint zur Studie bei arXiv
• European XFEL: Expert Meeting on X-ray Attosecond Techniques and Applications, 12. Oktober 2026