Ett internationellt team av forskare har skräddarsytt speciella röntgenglasögon för att koncentrera strålen från en röntgenlaser starkare än någonsin tidigare. Den individuellt producerade korrigeringslinsen eliminerar de oundvikliga defekterna i en röntgenoptikstapel nästan helt och koncentrerar tre fjärdedelar av röntgenstrålen till en punkt med 250 nanometer (miljondelar av en millimeter) diameter, nära den teoretiska gränsen. Den koncentrerade röntgenstrålen kan inte bara förbättra kvaliteten på vissa mätningar, men öppnar också helt nya forskningsvägar, som teamet kring DESYs ledande forskare Christian Schroer skriver i tidskriften Naturkommunikation .

Även om röntgenstrålar följer samma optiska lagar som synligt ljus, de är svåra att fokusera eller avleda:"Bara ett fåtal material finns tillgängliga för att göra lämpliga röntgenlinser och speglar, " förklarar medförfattaren Andreas Schropp från DESY. "Också, eftersom våglängden för röntgenstrålar är mycket mindre än för synligt ljus, Tillverkning av röntgenlinser av denna typ kräver en mycket högre grad av precision än vad som krävs inom området för optiska våglängder - även den minsta defekt i linsens form kan ha en skadlig effekt."

Tillverkningen av lämpliga linser och speglar har redan nått en mycket hög precisionsnivå, men standardlinserna, gjord av grundämnet beryllium, är vanligtvis något för kraftigt böjda nära mitten, som Schropp noterar. "Berylliumlinser är formgjutna med precisionsformar. Formfel i storleksordningen några hundra nanometer är praktiskt taget oundvikliga i processen." Detta resulterar i att mer ljus sprids ur fokus än vad som är oundvikligt på grund av fysikens lagar. Vad mer, detta ljus fördelas ganska jämnt över ett ganska stort område.

Sådana defekter är irrelevanta i många tillämpningar. "Dock, om du vill värma upp små prover med röntgenlasern, du vill att strålningen ska fokuseras på ett så litet område som möjligt, " säger Schropp. "Detsamma gäller i vissa bildtekniker, där du vill få en bild av små prover med så mycket detaljer som möjligt."

För att optimera fokuseringen, forskarna mätte först noggrant defekterna i deras bärbara berylliumröntgenlinsstack. De använde sedan dessa data för att bearbeta en anpassad korrigeringslins av kvartsglas, med en precisionslaser vid University of Jena. Forskarna testade sedan effekten av dessa glasögon med LCLS röntgenlaser vid SLAC National Accelerator Laboratory i USA.

"Utan de korrigerande glasögonen, vår lins fokuserade cirka 75 procent av röntgenljuset på ett område med en diameter på cirka 1600 nanometer. Det är ungefär tio gånger så stort som teoretiskt möjligt, " rapporterar huvudförfattaren Frank Seiboth från Technical University of Dresden, som nu jobbar på DESY. "När glasögonen användes, 75 procent av röntgenstrålarna kunde fokuseras på ett område på cirka 250 nanometer i diameter, för det nära det teoretiska optimum." Med den korrigerande linsen, ungefär tre gånger så mycket röntgenljus fokuserades in i den centrala fläcken än utan den. I kontrast, hela bredden vid halva maximum (FWHM), det generiska vetenskapliga måttet på fokusskärpa i optik, förändrades inte mycket och låg kvar på cirka 150 nanometer, med eller utan glasögon.

Samma kombination av mobil standardoptik och skräddarsydda glasögon har också studerats av teamet vid DESYs synkrotronröntgenkälla PETRA III och brittiska Diamond Light Source. I båda fallen, den korrigerande linsen ledde till en jämförbar förbättring med den som sågs vid röntgenlasern. "I princip, vår metod gör att en individuell korrigeringslins kan tillverkas för varje röntgenoptik, " förklarar ledande forskare Schroer, som också är professor i fysik vid universitetet i Hamburg.

"Dessa så kallade fasplattor kan inte bara gynna befintliga röntgenkällor, men i synnerhet kan de bli en nyckelkomponent i nästa generations röntgenlasrar och synkrotronljuskällor, ", betonar Schroer. "Att fokusera röntgenstrålar till de teoretiska gränserna är inte bara en förutsättning för en avsevärd förbättring av en rad olika experimentella tekniker; det kan också bana väg för helt nya undersökningsmetoder. Exempel inkluderar icke-linjär spridning av ljuspartiklar med partiklar av materia, eller skapa partiklar av materia från växelverkan mellan två ljuspartiklar. För dessa metoder, röntgenstrålningen måste koncentreras till ett litet utrymme vilket betyder att effektiv fokusering är avgörande."