100 ATTOSEKUNDEN, 10 TERAWATT — The Knowledge Frontier

Eine Attosekunde ist eine milliardstel milliardstel Sekunde. So kurze Lichtpulse eröffnen direkten Zugang zur Bewegung von Elektronen in Atomen, Molekülen und Festkörpern, auf ihrer natürlichen Zeitskala — ein Feld, das mit dem Physik-Nobelpreis 2023 gewürdigt wurde. Laborquellen im Tischformat erzeugen Attosekundenpulse, aber mit begrenzter Energie, vor allem bei kurzen Wellenlängen. Das schließt „stark getriebene“ Experimente aus, bei denen das Licht die Elektronen kräftig antreibt.

Freie-Elektronen-Laser überwinden diese Grenze. In diesen Anlagen durchquert ein Strahl nahezu lichtschneller Elektronen eine lange Reihe abwechselnd gepolter Magnete, einen Undulator. Winzige Dichteschwankungen im Strahl verstärken sich selbst, bis die Elektronen einen intensiven Röntgenblitz aussenden. Mehrere solcher Anlagen erzeugen Attosekunden-Röntgenpulse bereits routinemäßig, mit bis zu Hunderten Mikrojoule.

Je kürzer das Paket, desto kürzer der Blitz

Für einen Attosekundenblitz muss schon das lasende Elektronenpaket extrem kurz sein. Evgeny Schneidmiller und 37 Kolleginnen und Kollegen von DESY, European XFEL, der TU Dortmund sowie den Universitäten Hamburg und Kassel gingen dafür am European XFEL, dem supraleitenden Röntgenlaser in Schenefeld, an die Grenze.

Schema des European XFEL von der Elektronenkanone bis zu den Undulatoren, mit fünf nummerierten grünen Kreisen an den Kompressionsstufen.

Aufbau des European XFEL: Die fünf in dieser Arbeit genutzten Kompressionsstufen sind grün eingekreist. — Abbildung 1, Schneidmiller et al. (2026), arXiv:2609.31534.

Fünfmal pressen statt dreimal

Im Normalbetrieb durchlaufen die Pakete drei magnetische „Schikanen“, die sie verkürzen, wobei die letzte absichtlich nur teilweise komprimiert. Das Team änderte alles:

Die dritte Schikane komprimiert nun ein recht schweres Paket von 350 Pikocoulomb vollständig.
Ein Kollimatorabschnitt, normalerweise neutral, wird zur vierten Stufe: Betreibt man den Strahl mit 14,3 GeV, 300 MeV über seiner Nennenergie, wird ein Effekt zweiter Ordnung aktiv, der ihn weiter komprimiert.
Die Kurve zwischen zwei Undulatorlinien wird durch Verstimmen eines Paares von Fokussiermagneten zur fünften Stufe. Die passende Energieverteilung hat das Paket zuvor beim Durchqueren eines 200 Meter langen Undulators aufgenommen.

Simulationen zeigen das Paket auf unter einen Mikrometer zusammengepresst, mit einem Spitzenstrom von 150.000 Ampere — außergewöhnlich hoch für einen Röntgenlaser, an dieser Strahllinie allerdings nicht direkt messbar. Entscheidend ist die hohe Elektronenenergie: Bei den 3–4 GeV, die anderswo für weiche Röntgenstrahlung genutzt werden, würde die Energieverteilung eines solchen Pakets den Laserbetrieb verhindern, merken die Autoren an.

Millijoule in einer Attosekunde

Drei Messkampagnen in den Jahren 2025 und 2026 erzeugten Röntgenblitze bei 1.000 Elektronenvolt (eine Wellenlänge von etwa 1,2 Nanometern). Je nach Kampagne zeigten 20 bis 39 % der Pulse eine einzige saubere Spitze im Spektrum, mit mittleren Energien von 1,2 bis 2,0 Millijoule. Einzelne Pulse erreichten 3 Millijoule, bei spektralen Breiten von 10 bis 30 eV.

Die Dauer wird aus dem Spektrum abgeleitet: Ein 18 eV breiter Puls entspricht bestenfalls etwa 100 Attosekunden. Trägt man die Breite gegen die Energie auf, liegen 57 % der Ereignisse mit einer Spitze unter dieser idealen Annahme oberhalb der Linie, die 10 Terawatt Spitzenleistung entspricht, und 6 % sogar unter einer pessimistischen.

Streudiagramm der spektralen Bandbreite gegen die Pulsenergie für drei Kampagnen, mit zwei gestrichelten Kurven, die eine Spitzenleistung von 10 Terawatt markieren.

Jeder Punkt ist ein Röntgenpuls mit einer einzigen Spitze. Punkte oberhalb der gestrichelten Kurven entsprechen Spitzenleistungen über 10 Terawatt. — Abbildung 4, Schneidmiller et al. (2026), arXiv:2609.31534.

Einzeln ausgewählt

Die Dauer wird nicht direkt in der Zeit gemessen: Ein Spektrum gibt keinen Zugang zur Phase des Lichts, daher stützt sich die Schätzung auf ein Standardmodell und auf jüngere Messungen, die zeigen, dass solche Pulse nahe an ihrer kürzestmöglichen Dauer liegen. Zudem schwanken die Schüsse stark von einem zum nächsten. Doch der European XFEL liefert bis zu Zehntausende Pulse pro Sekunde, und Energie und Spektrum jedes Pulses lassen sich aufzeichnen, ohne ihn zu zerstören. Nutzerinnen und Nutzer werden nur die kürzesten, intensivsten Blitze behalten können — ein neues Regime, schreiben die Autoren, um Elektronen zu beobachten, die an ihre Grenzen getrieben werden.