Rekord am Röntgenlaser

Gleichgerichtete Schwingungen: Physikern ist es gelungen, polarisierte Röntgenstrahlen mit der höchsten je erreichten Reinheit zu erzeugen. Die Photonen im XFEL-Röntgenlaser schwingen dadurch fast alle in der gleichen Richtung. Die Abweichung von der gewünschten Polarisation liegt bei nur noch 80 Billionstel Photonen – Weltrekord. Diese Reinheit könnte erstmals den Nachweis der Vakuumdoppelbrechung ermöglichen, einer lange vorhergesagten, aber auf der Erde noch nie nachgewiesenen Licht-Wechselwirkung.

Die Polarisation beschreibt, in welcher Ebene eine elektromagnetische Strahlung schwingt. Während die Photonen bei normalem Licht meist keine einheitliche Ausrichtung haben, ist dies bei Laserlicht anders: Ihre Photonen sollen im Gleichtakt und in der gleichen Richtung schwingen. Erst dies macht die Übermittlung optischer Daten, quantenphysikalische Messungen und andere Anwendungen möglich.

Abweichler im geordneten Licht

Das Problem jedoch: Selbst bei modernsten Lasern und Röntgenlasern gibt es immer einen gewissen Anteil von Photonen, die von der gewünschten Schwingungsrichtung abweichen. Der Anteil der Polarisations-Unreinheit konnte bei bisherigen Anlagen nicht unter 10^-10 gedrückt werden – einige falsch schwingende Photonen pro zehn Milliarden korrekt polarisierten. Dies begrenzte die Anwendungmöglichkeiten vor allem bei Messungen fundamentaler physikalischer Phänomene.

Doch nun ist es Physikern am Röntgenlaser European XFEL in Hamburg erstmals gelungen, diese Grenze zu knacken. Das Team um Kai Schulze vom Helmholtz-Institut Jena nutzte dafür einen besonders stark fokussierten Strahl sowie einen neu entwickelten Polarisator. In einem solchen „Gleichrichter“-Kristall wird das Licht durch einen dünnen Kanal geleitet und an dessen Wänden so gebrochen, dass am Ende nur Strahlung einer Ausrichtung übrigbleibt.

Spezialkristall als Polarisator

Für ihren Versuch konstruierten die Physiker einen Polarisator aus einem speziell strukturierten und bearbeiteten Siliziumkristall. „Die Kristallstruktur beeinflusst den Grad der Polarisation“, erklären sie. „Die Wahl des Materials, sein Schliff und die Methode der Oberflächenbehandlung sind daher entscheidend.“ Im Versuch musste zudem die Energie des Röntgenstrahls und sein Fokus präzise so eingestellt werden, dass im Kristall die gewünschten Brechungseffekte eintraten.

Mit Erfolg: Dem Team gelang es, die bisherige Grenze der Polarisations-Reinheit zu überwinden. Erstmals erzeugten sie einen kohärenten Röntgenstrahl mit einer Abweichung von weniger als 8 x 10^-11 falsch polarisierten Photonen – ein neuer Weltrekord.

Fundamentale Physik-Vorhersage im Blick

Das Knacken der Reinheitsgrenze für polarisierte Strahlung eröffnet nun neuen Möglichkeiten für physikalische Messungen und Anwendungen wie der Quantenkommunikation, der Quantenoptik im Röntgenbereich und Tests in der Festkörperphysik. „Die hohe Sensitivität ist aber auch entscheidend, um fundamentale Phänomen der Physik zu testen wie die Vakuumdoppelbrechung“, erklären Schulze und seine Kollegen.

Die schon 1936 von Werner Heisenberg und Hans Euler theoretisch vorhergesagte Vakuumdoppelbrechung besagt, dass starke elektromagnetische Felder die Polarisation von Licht im Vakuum verändern können. Im Prinzip beeinflusst dabei eine Form der elektromagnetischen Strahlung eine andere. Dieser Effekt gilt als Ursache der starken Polarisation von Strahlung am Ereignishorizont von Schwarzen Löchern, aber auch für die von Fast Radiobursts – extrem starken, aber ultrakurzen kosmischen Radiopulsen.

XFEL könnte Vakuumdoppelbrechung nachweisen

Auf der Erde ließ sich die Vakuumdoppelbrechung bisher aber noch nie experimentell nachvollziehen. Erst jetzt eröffnet der XFEL mit seiner hochreinen Polarisation dafür die Möglichkeit. „Der Effekt ist extrem klein, wächst jedoch mit kleiner werdender Wellenlänge des Probestrahls“, erklärt Schulze. „Präzise Polarisatoren im Röntgenbereich bieten daher ein gutes Werkzeug, um den Effekt nachzuweisen.“ Ein solches stehe nun mit dem High-Energy-Density-Instrument am European XFEL zur Verfügung.

Der Nachweis der Vakuumdoppelbrechung würde nicht nur die Fundamente der Theorien zur Quantenelektrodynamik festigen, er könnte auch Hinweise auf eine „neue Physik“ liefern. Denn wenn Abweichungen von den theoretischen Erwartungen detektiert werden, könnte dies auf noch unbekannte Teilchen oder Kräfte hindeuten. (Physical Review Research, 2022; doi: 10.1103/PhysRevResearch.4.013220)

Quelle: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung