Een internationaal team van wetenschappers heeft een speciale röntgenbril op maat gemaakt om de bundel van een röntgenlaser sterker dan ooit tevoren te concentreren. De individueel geproduceerde corrigerende lens elimineert de onvermijdelijke defecten van een röntgenopticastapel bijna volledig en concentreert driekwart van de röntgenstraal op een plek met een diameter van 250 nanometer (miljoensten van een millimeter), dicht bij de theoretische grens. De geconcentreerde röntgenstraal kan niet alleen de kwaliteit van bepaalde metingen verbeteren, maar opent ook geheel nieuwe onderzoekswegen, zoals het team rond DESY-hoofdwetenschapper Christian Schroer schrijft in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

Hoewel röntgenstralen aan dezelfde optische wetten voldoen als zichtbaar licht, ze zijn moeilijk scherp te stellen of af te buigen:"Er zijn maar een paar materialen beschikbaar voor het maken van geschikte röntgenlenzen en spiegels, " legt co-auteur Andreas Schropp van DESY uit. "Ook, aangezien de golflengte van röntgenstraling veel kleiner is dan die van zichtbaar licht, het vervaardigen van röntgenlenzen van dit type vereist een veel hogere mate van precisie dan vereist is op het gebied van optische golflengten - zelfs het kleinste defect in de vorm van de lens kan een nadelig effect hebben."

De productie van geschikte lenzen en spiegels heeft al een zeer hoog niveau van precisie bereikt, maar de standaard lenzen, gemaakt van het element beryllium, zijn meestal iets te sterk gekromd nabij het centrum, zoals Schropp opmerkt. "Beryllium-lenzen worden geperst met behulp van precisiestempels. Vormfouten in de orde van enkele honderden nanometers zijn daarbij praktisch onvermijdelijk." Dit resulteert in meer licht dat uit de focus wordt verstrooid dan onvermijdelijk is vanwege de natuurwetten. Bovendien, dit licht wordt vrij gelijkmatig verdeeld over een vrij groot oppervlak.

Dergelijke defecten zijn in veel toepassingen niet relevant. "Echter, als u kleine monsters wilt opwarmen met de röntgenlaser, je wilt dat de straling op een zo klein mogelijk gebied wordt gericht, ", zegt Schropp. "Hetzelfde geldt voor bepaalde beeldvormingstechnieken, waar je een beeld wilt krijgen van kleine monsters met zoveel mogelijk details."

Om de scherpstelling te optimaliseren, de wetenschappers hebben eerst de defecten in hun draagbare beryllium-röntgenlenzenstapel nauwkeurig gemeten. Vervolgens gebruikten ze deze gegevens om een ​​aangepaste corrigerende lens uit kwartsglas te maken, met behulp van een precisielaser aan de Universiteit van Jena. De wetenschappers testten vervolgens het effect van deze bril met behulp van de LCLS-röntgenlaser in het SLAC National Accelerator Laboratory in de VS.

"Zonder de corrigerende bril, onze lens focuste ongeveer 75 procent van het röntgenlicht op een gebied met een diameter van ongeveer 1600 nanometer. Dat is ongeveer tien keer zo groot als theoretisch haalbaar, " meldt hoofdauteur Frank Seiboth van de Technische Universiteit van Dresden, die nu bij DESY werkt. "Toen de bril werd gebruikt, 75 procent van de röntgenstralen zou kunnen worden gefocusseerd in een gebied van ongeveer 250 nanometer in diameter, waardoor het dicht bij het theoretische optimum komt." Met de corrigerende lens, ongeveer drie keer zoveel röntgenlicht werd in de centrale spikkel gebundeld dan zonder. In tegenstelling tot, de volledige breedte op halve maximum (FWHM), de generieke wetenschappelijke maatstaf voor focusscherpte in optica, veranderde niet veel en bleef op ongeveer 150 nanometer, met of zonder bril.

Dezelfde combinatie van mobiele standaardoptieken en op maat gemaakte brillen is ook onderzocht door het team van DESY's synchrotron-röntgenbron PETRA III en de British Diamond Light Source. In beide gevallen, de corrigerende lens leidde tot een vergelijkbare verbetering als bij de röntgenlaser. "In principe, onze methode maakt het mogelijk om voor elke röntgenoptiek een individuele corrigerende lens te maken, " legt hoofdwetenschapper Schroer uit, die ook hoogleraar natuurkunde is aan de Universiteit van Hamburg.

"Deze zogenaamde faseplaten kunnen niet alleen bestaande röntgenbronnen ten goede komen, maar in het bijzonder zouden ze een belangrijk onderdeel kunnen worden van röntgenlasers en synchrotron-lichtbronnen van de volgende generatie, " benadrukt Schroer. "Röntgenstraling tot aan de theoretische limieten focussen is niet alleen een voorwaarde voor een substantiële verbetering van een reeks verschillende experimentele technieken; het kan ook de weg vrijmaken voor geheel nieuwe onderzoeksmethoden. Voorbeelden zijn de niet-lineaire verstrooiing van lichtdeeltjes door materiedeeltjes, of het creëren van materiedeeltjes door de interactie van twee lichtdeeltjes. Voor deze methoden is de röntgenstralen moeten worden geconcentreerd in een kleine ruimte, wat betekent dat efficiënt scherpstellen essentieel is."