Röntgen-Doppelblitze von 10-21 Sekunden treiben Atomkerne an

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Exakte Kontrolle von Kernanregungen eröffnet Wege zu ultrapräzisen Atomuhren und leistungsstarken Kernbatterien

Erstmals (laut Medienmitteilung am 17.02.2020 und einer Publikation in Nature) ist einem Forscherteam des Heidelberger Max-Planck-Instituts für Kernphysik mit geeignet geformtem Röntgenlicht die kohärente Kontrolle von Kernanregungen gelungen. In dem am Europäischen Synchrotron ESRF durchgeführten Experiment wurde eine zeitliche Stabilität von wenigen Zeptosekunden erreicht (eine Zeptosekunde ist der billionste Teil einer Milliardstel Sekunde – 10-21 Sekunden). Zukünftige Experimente basierend auf der Kontrolle der Kerndynamik versprechen genauere Zeitstandards und neue Möglichkeiten auf dem Weg zu Kernbatterien.

Moderne Experimente zur Quantendynamik können die Quantenprozesse der Elektronen in Atomen mit Hilfe von Laserfeldern weitreichend steuern. Das Innenleben der Kerne der Atome spielt dabei aber meist keine Rolle, weil die für sie charakteristischen Energie-, Zeit- und Längenskalen so extrem sind, dass sie durch die Laserfelder praktisch nicht beeinflusst werden. Neue Ansätze bringen frischen Wind in die Kernphysik, indem sie diese Unempfindlichkeit gegen äußere Störungen ausnutzen und die extremen Skalen der Atomkerne für besonders genaue Messungen einsetzen. So können Atomkerne auf Röntgenstrahlen mit einer äußerst genau definierten Energie reagieren, wobei – ähnlich wie Elektronen in der Atomhülle – einzelne Nukleonen (Bezeichnung für Protonen und Neutronen) angeregt werden. Diese Übergänge können als Taktgeber für präzise Kernuhren verwendet werden und hierzu ist die Vermessung der Kerneigenschaften mit höchster Präzision erforderlich.

Ein Forscherteam um Physiker des Max-Planck-Instituts für Kernphysik in Heidelberg ist nun einen Schritt weiter gegangen, indem es die Quantendynamik der Atomkerne nicht nur vermessen, sondern auch durch geeignet geformte Röntgenpulse mit bisher unerreichter zeitlicher Stabilität von wenigen Zeptosekunden – das ist um den Faktor 100 besser als alles bisher Erreichte – kontrolliert hat. Damit wird der in der optischen Spektroskopie erfolgreich etablierte Werkzeugkasten der kohärenten Kontrolle auch für Atomkerne anwendbar, was ganz neue Möglichkeiten und Perspektiven eröffnet.

100mal besser als alles bisher Erreichte

Schematischer Aufbau des Experiments. Der in der ersten Probe erzeugte Doppelpuls induziert eine Quantendynamik in den Atomkernen der zweiten Probe, die durch die Verzögerung eines Teils des Doppelpulses kontrolliert werden kann – Grafik © mpi-hd.mpg.de

Die sogenannte kohärente Kontrolle nutzt die Welleneigenschaften von Materie zur Steuerung von Quantenprozessen durch elektromagnetische Felder, z. B. Laserpulse. Jedes Wellenphänomen ist dabei neben der Frequenz bzw. Wellenlänge durch die Amplitude (Wellenhöhe) und Phase (zeitliche Lage von Wellenbergen und -tälern in der Welle) charakterisiert. Eine einfache Analogie ist die Kontrolle einer schwingenden Schaukel durch periodisches, wellenförmiges Anschubsen. Hierfür muss der genaue Zeitpunkt (Phase) des Schubsens relativ zur Schaukelbewegung gesteuert werden. Stößt man die entgegenkommende Schaukel an, wird sie gebremst. Bewegt sie sich hingegen weg, so wird ihre Auslenkung durch das Anschubsen größer.

Analog dazu lassen sich die quantenmechanischen Eigenschaften von Materie durch entsprechend präziser Steuerung der hierfür verwendeten Laserfelder kontrollieren. In den vergangen Jahrzehnten gab es große Fortschritte und Erfolge bei der kohärenten Kontrolle von Atomen und Molekülen, mit einer zeitlichen Präzision des Lichts bis in den Bereich von Attosekunden, dem milliardsten Teil einer milliardstel Sekunde, was der natürlichen Zeitskala von Elektronen in Atomen entspricht. Wichtige Forschungsziele mit möglichen zukünftigen Anwendungen sind z. B. die Kontrolle von chemischen Reaktionen oder die Entwicklung neuer genauerer Zeitstandards.

In den letzten Jahren hat die Verfügbarkeit von neuartigen Strahlungsquellen für Röntgenstrahlung mit Laserqualität (Synchrotronstrahlung und Freie-Elektronen-Laser) ein neues Gebiet eröffnet: Die nukleare Quantenoptik. Physikern der Abteilungen von Christoph Keitel und Thomas Pfeifer vom Heidelberger Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK) ist nun am Europäischen Synchrotron ESRF (Grenoble, Frankreich) in Kooperation mit Forschern vom DESY (Hamburg) und dem Helmholtz-Institut/Friedrich-Schiller-Universität (Jena) erstmals der Nachweis kohärenter Kontrolle von Kernanregungen durch Röntgenstrahlung gelungen. Hierbei wurde eine Stabilität der kohärenten Kontrolle von wenigen Zeptosekunden (tausendstel Attosekunden) erreicht.

Im Experiment nutzten die Forscher um Projektleiter Jörg Evers (MPIK) zwei mit dem Eisen-Isotop 57Fe angereicherte Proben, die mit kurzen Röntgenpulsen aus dem Synchrotron bestrahlt werden (Abb. 1). Mit der ersten Probe erzeugten sie einen steuerbaren Doppel-Röntgenpuls, der dann verwendet wurde, um die Dynamik der Kerne in der zweiten Probe zu kontrollieren. Die untersuchten Kernanregungen, die sich durch Röntgenemission wieder abregen, sind als sog. Mößbauer-Übergänge durch eine sehr hohe Energieschärfe gekennzeichnet. Die mit einem Nobelpreis ausgezeichnete Entdeckung des zugrundeliegenden Effekts gelang Rudolf Mößbauer 1958 am MPI für Medizinische Forschung, aus welchem im gleichen Jahr das MPIK ausgegründet wurde.

Um den Doppelpuls zu erzeugen, werden die Kerne der ersten Probe durch den kurzen Röntgenpuls angeregt, und geben diese Anregung aufgrund der hohen Energieschärfe vergleichsweise langsam wieder als einen zweiten Röntgenpuls ab. Im Experiment wird die Probe zwischen der Anregung und der Abregung schnell um eine kleine Distanz bewegt, die etwa der halben Röntgenwellenlänge entspricht. Hierdurch ändert sich die Flugzeit des zweiten Pulses zur zweiten Probe, was die Lage der Wellen der beiden Röntgenpulse (relative Phase) gegeneinander verschiebt.

Dieser Doppelpuls steuert nun die Kerne in der zweiten Probe. Der erste Puls regt eine quantenmechanische Dynamik im Kern an, analog zu der schwingenden Schaukel. Der zweite Puls ändert diese Dynamik, in Abhängigkeit von der relativen Phase der beiden Röntgenpulse. Trifft die Welle des zweiten Pulses beispielsweise im Takt mit der Kerndynamik auf die zweite Probe, so werden die Kerne weiter angeregt. Durch die Variation der relativen Phase konnten die Forscher so gezielt zwischen einer weiteren Anregung der Kerne und einer Abregung der Kerne hin- und herschalten, und damit den quantenmechanischen Zustand der Kerne kontrollieren. Dieser lässt sich aus den gemessenen Interferenzstrukturen der Röntgenstrahlung hinter der zweiten Probe rekonstruieren (Abb. 2).

Eine akustische Analogie soll dies verdeutlichen (siehe Abb. 3) Hierbei entsprechen die Mößbauerkerne der Proben Stimmgabeln die durch einen kurzen Knall („Startschuss“, analog zum Synchrotronpuls) angeregt werden und ihrerseits mit ihrer genau festgelegten Frequenz schwach gedämpft tönen. Der Schall der ersten Gabel trifft also nach dem Knall als zusätzliche Anregung auf die zweite Gabel. Im Fall (a) ist diese Schallwelle gegenphasig zur Bewegung der zweiten Gabel, so dass deren Schwingung abgeregt wird. Im Fall (b) wird die erste Gabel schnell so verschoben, dass ihr Schall stattdessen zur Bewegung der zweiten Gabel passt und sie somit stärker anregt.

Angesichts der erforderlichen extremen Anforderungen an die Kontrolle von Atomkernen (die Verrückung der ersten Probe um eine halbe Wellenlänge liegt in der Größenordnung eines Atomradius) überrascht der offenbar geringe Einfluss äußerer Störungen auf die Güte des Experiments. Dass dies dennoch funktioniert, liegt in der kurzen Dauer einer Messsequenz, während derer die wesentlichen störenden Bewegungen quasi eingefroren sind. Diese Stabilität ist eine Voraussetzung für zukünftige neue Anwendungen auf der Basis von Kernübergängen: genauere Zeitstandards, Untersuchung der Variation von Fundamentalkonstanten oder der Suche nach neuer Physik jenseits der akzeptierten Modelle.

Im Bereich der atomaren Dynamik ist die weitreichende Kontrolle der Schlüssel für viele Anwendungen. Die hier demonstrierten Möglichkeiten öffnen das Tor zu neuen experimentellen Ansätzen, die auf einer Kontrolle der Kerndynamik beruhen, wie etwa genauere Messungen durch Präparation der Kerne in bestimmte Zustände. Insofern zukünftige Röntgenquellen eine stärkere Anregung der Kerne ermöglichen würden, wären damit auch Kernbatterien, die ohne Kernspaltung oder -fusion große Mengen Energie in internen Anregungen der Kerne speichern und wieder abgeben können, denkbar.

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