Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am Schweizer Freie-Elektronen-Röntgenlaser SwissFEL haben ein lang verfolgtes experimentelles Ziel der Physik erreicht: Sie konnten sichtbar machen, wie Elektronen miteinander tanzen. Das als Röntgen-Vierwellenmischung bekannte Verfahren eröffnet neue Wege, um den Fluss von Energie und Informationen in Atomen und Molekülen zu beobachten. In Zukunft könnte die Methode aufzeigen, wie Quanteninformationen gespeichert werden und verloren gehen und so langfristig zur Verbesserung der Fehlertoleranz in der Quantentechnologie beitragen. Ihre Ergebnisse haben die Forscher nun in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.

Wie sich Materie verhält, lässt sich grösstenteils nicht auf das Verhalten einzelner Elektronen zurückführen, sondern vielmehr darauf, wie sie sich gegenseitig beeinflussen. Von chemischen Systemen bis hin zu hoch entwickelten Materialien – die Wechselwirkung zwischen den Elektronen bestimmt, wie sich Moleküle neu anordnen, wie Materialien leiten oder isolieren und wie Energie transportiert wird.

In vielen Quantensystemen – nicht zuletzt in der Quanteninformatik – werden Informationen in empfindlichen Mustern solcher Wechselwirkungen gespeichert, sogenannte Kohärenzen. Gehen diese Kohärenzen verloren, verschwinden auch die Informationen – ein Vorgang, der als Dekohärenz bezeichnet wird. Solche kurzlebigen Zustände zu verstehen und letztendlich kontrollieren zu können, gehört zu den grössten Herausforderungen der heutigen Quantentechnologie.

Zwar gibt es viele Techniken, mit denen sich das Verhalten einzelner Elektronen untersuchen lässt, doch für diese Kohärenzen blieb man bislang weitgehend blind. Forschende des Paul Scherrer Instituts PSI und der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne (EPFL) haben nun gemeinsam mit dem Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK) in Deutschland und der Universität Bern am SwissFEL ein Verfahren entwickelt, das als Röntgen-Vierwellenmischung bezeichnet wird.

«Wir erfahren, wie die Elektronen miteinander tanzen – ob sie sich an den Händen halten oder ob sie alleine tanzen», sagt Gregor Knopp, Senior Scientist am Zentrum für Photonenforschung des Paul Scherrer Instituts PSI und Leiter der Studie. «Das eröffnet neue Einblicke in Quantenphänomene und kann unser Verständnis der Materie verändern.»

Wie NMR, aber mit Röntgenlicht

Vom Konzept her ähnelt die Röntgen-Vierwellenmischung der Kernspinresonanz (NMR), die heute routinemässig in Krankenhäusern für MRT-Untersuchungen eingesetzt wird. Beide Verfahren nutzen mehrere Pulse, um Kohärenzen in Materie zu erzeugen und anschliessend wieder auszulesen.

Die Vierwellenmischung von infrarotem und sichtbarem Licht hat sich ebenfalls bereits gut etabliert. Sie erlaubt es Forschenden zu untersuchen, wie sich Moleküle bewegen, wie sie schwingen und miteinander interagieren – mögliche Anwendungen reichen von der optischen Kommunikation bis hin zur Abbildung biologischer Proben.

Dieser leistungsfähige Ansatz lässt sich durch Röntgenlicht auf einen kleineren Massstab übertragen und ermöglicht es, direkt in die Welt der Elektronen vorzudringen. «Andere Verfahren bieten Aufschluss darüber, wie Atome oder Moleküle insgesamt miteinander oder mit ihrer Umgebung interagieren. Mit Röntgenlicht können wir dagegen bis zu den Elektronen heranzoomen», sagt Ana Sofia Morillo Candas, Erstautorin der Studie.

Diese Fähigkeit auf die Wechselwirkung zwischen einzelnen Elektronen heranzuzoomen und sie gezielt zu untersuchen, eröffnet die Möglichkeit völlig neuer Einblicke nicht nur in Quanteninformationen, sondern auch in viele andere Bereiche – etwa biologische Moleküle oder Materialien für Solarzellen und Batterien.

Das unmögliche Experiment

Die Umsetzung eines solchen Röntgenexperiments blieb jedoch bislang – auch Jahrzehnte nachdem die Idee erstmals aufkam – nahezu unmöglich.

Bei der Vierwellenmischung wirken drei eintreffende Lichtwellen auf Materie ein und erzeugen dadurch eine vierte Welle. «Um eine Vierwellenmischung zu erreichen, muss man im Allgemeinen verschiedene Lichtstrahlen teilen, verzögern und wieder zusammenführen», erklärt Morillo Candas. «Bei Röntgenstrahlen ist das schwierig, weil sie eine so kurze Wellenlänge haben – man muss unglaublich genau arbeiten.» Vereinfacht ausgedrückt lässt sich die Manipulation der drei Röntgenstrahlen mit dem Versuch vergleichen, drei Dartpfeile aus einem Kilometer Entfernung zu werfen, sodass sie innerhalb weniger Nanometer zueinander auf die Dartscheibe treffen.

Diese Präzision allein reicht allerdings nicht aus. Das erzeugte Röntgen-Vierwellenmischsignal ist ausserdem extrem schwach. Um es überhaupt sehen zu können, sind extrem helle und ultrakurze Röntgenlichtblitze erforderlich – diese können nur grosse Freie-Elektronen-Röntgenlaseranlagen wie der SwissFEL liefern. «Seit dem Bau des SwissFEL vor zehn Jahren haben Forschende von diesem Experiment geträumt», sagt Knopp.

Ein Licht in der Nacht

Der Erfolg ist einem Trick zu verdanken, der Experimenten mit konventionellem Laserlicht statt Röntgenstrahlen abgeschaut wurde: eine Aluminiumplatte mit vier winzigen Löchern. Das Röntgenlicht passiert drei dieser Löcher und – wenn das Experiment erfolgreich ist – erscheint an dem vierten Loch ein neues Röntgensignal.

«Vom Konzept her ist das eine einfache Lösung», sagt Knopp, der sich mit optischem Laserlicht auskennt. «Wenn man diese Experimente mit infrarotem oder sichtbarem Licht durchführt, macht man es so.» Dieser Ansatz unterscheidet sich stark von früheren Bemühungen, eine Röntgen-Vierwellenmischung zu erreichen, erschien Knopp aber eine naheliegende Lösung. «Wir waren erstaunt, als wir sahen, wie stark das Signal war», fügt er hinzu.

Als Morillo Candas, damals Postdoc am PSI, das Signal im Kontrollraum der Experimentierstation Maloja am SwissFEL sah, war es mitten in der Nacht. Sie erinnert sich: «Es glühte wie ein Lichtpunkt auf dem Bildschirm. Für jeden anderen würde es nach nichts aussehen. Aber wir haben vor Freude Luftsprünge gemacht.»

Vom ersten Signal zur etablierten Bildgebungstechnik

Diese erste erfolgreiche Demonstration der Röntgen-Vierwellenmischung wurde in einem Edelgas, Neon, erreicht. Dieses System wird vergleichsweise gut verstanden und weist keine komplizierten Wechselwirkungen zwischen den Elektronen auf. Daher bietet es ideale Voraussetzungen, um das schwer fassbare Vierwellenmischungssignal zu erkennen.

Nachdem die Machbarkeit bewiesen wurde, können sich die Forschenden nun komplexeren Systemen widmen. Sowohl Morillo Candas als auch Knopp halten ihre Lösung aufgrund ihrer Einfachheit für besonders robust und glauben, dass dies eine raschere Verbreitung begünstigen wird.

Die nächsten Schritte am SwissFEL werden darin bestehen, komplexere Gase und schliesslich Flüssigkeiten und Festkörper zu untersuchen, in denen die Elektronen innerhalb der Moleküle auf vielfältigere Weise miteinander wechselwirken.

Für das Verfahren ist das jedoch vermutlich nur der Anfang. Letztendlich könnte es als bildgebendes Verfahren eingesetzt werden, das aufzeigt, wo es in einem Material oder Gerät zu Kohärenzen kommt und wo diese zusammenbrechen – anders gesagt, wo Quanteninformationen gespeichert werden und wo sie verloren gehen. Dies könnte Entwicklern Hinweise darauf geben, wie sie stabilere Qubits bauen und Fehler in künftigen Quantencomputern verringern können – Erkenntnisse, die heute einfach nicht verfügbar sind.

«Wenn Sie in den 1960er-Jahren gefragt hätten: ‹Können Sie eine NMR-Untersuchung meines Knies durchführen?›, hätte die Antwort gelautet: ‹Was?› Aber der Anfang war derselbe – ein erstes Signal», sagt Knopp. «Das ist der Stand der Dinge. Ich denke, wenn wir die Entwicklung vorantreiben, könnte die Röntgen-Vierwellenmischung eines Tages ein gängiges Verfahren zur Untersuchung winziger Quantengeräte sein.»

Text: Paul Scherrer Institut PSI/Miriam Arrell