Warm und dicht! Forscher machen Kupfer mit Röntgenstrahlen durchsichtig

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Transparentes Aluminium kennt man zumindest in der Welt von Star Trek. Reale Forscher schaffen Ähnliches aber quasi mit viel Know-how bei Kupfer.

Die Erforschung der Bedingungen, wie sie im Inneren von Planeten, einschließlich der Erde herrschen, oder während einer Fusionsreaktion, ist eine große Herausforderung. Fokussiert man dazu einen extrem leistungsstarken Röntgenlaser, wie es am European Xfel auf eine Kupferfolie gemacht wurde, stellt sich ein Materiezustand ein, der solchen exotischen Umgebungen ähnelt. Die Wissenschaft nennt diesen Zustand warme, dichte Materie (WDM). Ihre Ergebnisse zum Verständnis und zur Charakterisierung dieses schwer fassbaren Materiezustands könnte bei der Erforschung der Trägheitsfusion helfen, mit der dereinst umweltschonend Strom erzeugt werden könnte. Denn Wärme kann den Zustand von Materie drastisch ändern, wie es weiter heißt. Denn je nach Temperatur ist Materie bekanntlich fest, flüssig oder gasförmig. Erreicht sie aber den Zustand WDM ist sie zu heiß, um durch die Physik der kondensierten Materie beschrieben zu werden, gleichzeitig aber zu dicht für die Physik der schwach gekoppelten Plasmen. Die Grenze zwischen warmer, dichter Materie und anderen Materiezuständen ist allerdings nicht genau definiert. Häufig wird ein Temperaturbereich von über 4.700 bis knapp 100.000 °C bei Drücken von mehreren hunderttausend bar angegeben. Warme, dichte Materie lässt sich deshalb nur sehr schwer herstellen und untersuchen.

Intensive Röntgenpulse machen Kupfer lichtdurchlässig

Die intensiven Röntgenpulse von European Xfel haben sich nun als ein sehr nützliches Werkzeug zur Erzeugung und Analyse von WDM erwiesen. Als Probenmaterial verwendete man Kupfer. Die hohe Intensität der Pulse kann die Elektronen in der Kupferfolie so stark anregen, dass sie in den Zustand WDM kommt. Das zeige sich in einer Veränderung der Lichtdurchlässigkeit. Denn ein Metall, das mit einem intensiven Röntgenpuls bestrahlt wird, kann transparent werden, wenn die Elektronen im Metall die Röntgenenergie so schnell absorbieren, dass für nachfolgende Photonen keine Elektronen mehr zum Anregen übrigbleiben, so die Erklärung. Der verbleibende Schweif des Pulses kann dann das Material ungehindert durchdringen. Dieser Effekt wird als sättigbare Absorption (SA) bezeichnet. Umgekehrt kann ein Metall zunehmend undurchsichtig werden, wenn die Photonen am Anfang des Röntgenpulses im Material angeregte Zustände erzeugt, die dann einen höheren Absorptionskoeffizienten haben als das kalte Metall. Die Photonen am Ende des Pulses werden dann stärker absorbiert, was man als umgekehrte sättigbare Absorption (RSA) bezeichnet. Beide Prozesse werden in der Optik routinemäßig eingesetzt, um etwa mit Lasern eine bestimmte Pulslänge zu erzeugen. Die Forscher haben nun scharf gebündelte, 15 Femtosekunden dauernde Röntgenpulse auf eine 100 Nanometer dicke Kupferschicht gestrahlt. Anschließend analysierten sie das Signal mit einem Spektrometer. (Das Spektrum hängt stark von der Intensität des Röntgenpulses). Bei geringer bis mittlerer Röntgenintensität wird Kupfer für den Röntgenstrahl immer undurchsichtiger und zeigt RSA. Bei höheren Intensitäten sättigt die Absorption jedoch und die Folie wird transparent, wie sich gezeigt hat.

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