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Licht und Materie im Verbund

Erstmals Röntgenpolaritonen vermessen
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09.05.2016
Siliziumkristall, der durch einen speziellen Schnitt und eine optimierte Oberflächenbearbeitung die Erzeugung und Unterdrückung eines hochreinen Polarisationszustandes für Röntgenlicht ermöglicht. Foto: Jan-Peter Kasper/FSU Siliziumkristall, der durch einen speziellen Schnitt und eine optimierte Oberflächenbearbeitung die Erzeugung und Unterdrückung eines hochreinen Polarisationszustandes für Röntgenlicht ermöglicht.
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Wenn Licht mit Materie in Wechselwirkung tritt, kann es nicht nur abgelenkt oder absorbiert werden und dabei Atome oder Moleküle anregen. Bei der Wechselwirkung können auch Verbundzustände aus Materie und Licht entstehen, die weder das eine noch das andere sind und daher einen eigenen Namen tragen - Polaritonen. Diese Zwitterteilchen, die ihren Namen in Anlehnung an die Teilchen des Lichts, die Photonen tragen, haben jetzt Forscher von DESY in Hamburg, der ESRF in Grenoble, des Helmholtz-Instituts Jena und der Friedrich-Schiller-Universität Jena erstmals im Bereich harter Röntgenstrahlung hergestellt und präzise vermessen. Die überraschenden Entdeckungen, die sie dabei gemacht haben, stellen sie im Fachjournal "Nature Photonics" dar.


Hybrid aus Atomen und Licht

Die Erzeugung von Polaritonen ist besonders gut mit Atomen möglich, deren Kerne sehr scharfe Anregungszustände, sogenannte Resonanzen, haben. Im Röntgenbereich ist hierfür das Mössbauer-Isotop des Eisens (57Fe) ideal, dessen Atomkern eine energetisch extrem schmale Resonanz bei einer Energie von 14,4 Kilo-Elektronenvolt (keV) aufweist. Für ihr Experiment haben die Forscher periodische Stapel von jeweils unter zwei Nanometer dicken Schichten aus 57Fe und nichtresonantem 56Fe, dem am häufigsten vorkommenden Isotop des Eisens, hergestellt. Strahlt man in solch eine periodische Anordnung von Atomen unter einem bestimmten Winkel Röntgenlicht einer Synchrotronstrahlungsquelle ein, arbeitet das Schichtsystem als Verstärker für diese Röntgenstrahlung: Es kommt zu einer Resonanz, und zwar bei genau der gleichen Energie, wie sie die Atomkerne des 57Fe aufweisen. "In so einer Kombination von zwei resonanten Systemen kommt es zu einem bemerkenswerten Phänomen", erklärt Johann Haber, Erstautor der Studie und Doktorand bei DESY. "Die Resonanzen der Röntgenstrahlung und der Atomkerne scheinen sich regelrecht aus dem Weg zu gehen, denn es bildet sich ein Hybrid aus Atomen und Licht, welches zwei neue Resonanzen mit unterschiedlichen Energien aufweist, die vorher nicht vorhanden waren. Dies ist ein sogenannter kollektiver Effekt, der durch die gemeinsame Wechselwirkung einer großen Zahl von Atomkernen mit der Röntgenstrahlung entsteht."


Signal der Atomkerne mit sehr hoher Empfindlichkeit vom Hintergrund trennen

Der energetische Abstand dieser neuen Resonanzen hängt stark von der Wechselwirkung zwischen Kernen und Röntgenstrahlung ab. In ihrem Experiment konnten die Forscher jetzt erstmals die spektrale Struktur der Resonanzen eines solchen Systems mit extrem hoher Präzision bestimmen. Dabei half ihnen ein neuartiges Detektionsverfahren, das von einem Team um den Jenaer Forscher Ingo Uschmann entwickelt worden war. Sie nutzten geschickt aus, dass sich die Schwingungsrichtung des Röntgenlichtes bei der Wechselwirkung mit den Atomkernen ändert. "Mit Hilfe speziell geschnittener Siliziumkristalle können wir Strahlung mit einer bestimmten Schwingungsrichtung selektieren, während senkrecht dazu schwingendes Licht um bis zu acht Größenordnungen unterdrückt wird", erklärt Kai Schulze aus dem Jenaer Team. "Dadurch können wir das Signal der Atomkerne mit sehr hoher Empfindlichkeit vom Hintergrund trennen." Diese Methode ermöglichte bereits in den letzten Jahren die Entdeckung von quantenoptischen Phänomenen im Röntgenbereich.

Damit konnten die Forscher die beiden neuen Resonanzen vermessen, die nur 37,3 Nano-Elektronenvolt weit auseinanderliegen und auf die Entstehung von Polaritonen zurückzuführen sind. "Die Ergebnisse konnten wir hervorragend mit einem eigens dafür entwickelten quantenoptischen Modell theoretisch beschreiben", so Johann Haber.

"Dass wir erstmals solche Polaritonen im Röntgenbereich präparieren und vermessen konnten, ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur hochpräzisen Erzeugung von Strahlungsfeldern an modernen Röntgenquellen, insbesondere an den neuen Röntgenlasern", erklärt DESY-Forscher Ralf Röhlsberger, der die Arbeitsgruppe leitete. "Die gleichzeitige Emission vieler identischer Photonen beim Zerfall von nuklearen Polaritonen könnte extrem schmalbandige, nichtklassische Lichtquellen im Röntgenbereich ermöglichen und Anwendungen in der Präzisionsspektroskopie eröffnen." Gleichzeitig ist das Experiment ein weiterer wichtiger Schritt zur Etablierung von Quantenoptik im Röntgenbereich.

Original-Publikation:
Johann Haber et al.: Collective strong coupling of X-rays and nuclei in a nuclear optical lattice, Nature Photonics (2016)

Kontakt (in Jena):
Kai Schulze
Institut für Optik und Quantenelektronik der Friedrich-Schiller-Universität Jena
Max-Wien-Platz 1
07743 Jena
Tel.: 03641 / 947267
E-Mail:

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