Quantenforschung Vier Wellen für ein Heureka: Röntgenlaser zeigt Zusammenspiel der Elektronen

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Was Jahrzehnte unmöglich galt, gelang nun einem Forscherteam mithilfe des Röntgenlasers Swiss FEL: Forscher haben erstmals mit der so genannten Röntgen-Vierwellenmischung beobachtet, wie Elektronen miteinander wechselwirken. Das Verfahren könnte die Entwicklung stabilerer Quantencomputer vorantreiben.

Wie sich Materie verhält, lässt sich weniger auf einzelne Elektronen zurückführen, sondern vielmehr darauf, wie diese sich gegenseitig beeinflussen. Von chemischen Systemen bis hin zu hochentwickelten 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 – speichern Forscher Informationen in empfindlichen Mustern solcher Wechselwirkungen, so genannten Kohärenzen. Gehen diese Kohärenzen verloren, verschwinden auch die Informationen – ein Vorgang, den Fachleute als Dekohärenz bezeichnen. Solche kurzlebigen Zustände zu verstehen und letztendlich kontrollieren zu können, gehört zu den größten Herausforderungen der heutigen Quantentechnologie.

Tanz der Elektronen

Zwar gibt es viele Techniken, mit denen sich das Verhalten einzelner Elektronen untersuchen lässt, doch für diese Kohärenzen blieb die Forschung bislang weitgehend blind. Wissenschaftler des Paul-Scherrer-Instituts PSI ein Verfahren entwickelt, das sie als Röntgen-Vierwellenmischung bezeichnen. „Das eröffnet neue Einblicke in Quantenphänomene und kann unser Verständnis der Materie verändern“, sagt Gregor Knopp, Senior Scientist am Zentrum für Photonenforschung des PSI und Leiter der Studie.

Für ihre Studie arbeitete das Team von Knopp eng zusammen mit der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne (EPFL), dem Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK) in Deutschland und der Universität Bern am Schweizer Freie-Elektronen-Röntgenlaser (Swiss FEL).

Wie NMR, aber mit Röntgenlicht

Vom Konzept her ähnelt die Röntgen-Vierwellenmischung der Kernspinresonanz NMR, die Ärzte heute routinemäßig in Krankenhäusern für MRT-Untersuchungen einsetzen. 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 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, ermöglicht neue Einblicke nicht nur in Quanteninformationen, sondern auch in viele andere Bereiche – etwa biologische Moleküle oder Materialien für Solarzellen und Batterien.

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Das unmögliche Experiment

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

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 ErstautorinMorillo Candas. „Bei Röntgenstrahlen ist das schwierig, weil sie eine so kurze Wellenlänge haben – man muss unglaublich genau arbeiten.“ Vereinfacht ausgedrückt ist die Manipulation der drei Röntgenstrahlen etwa so, als würde man versuchen 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 Swiss FEL liefern. „Seit dem Bau des Swiss FEL vor zehn Jahren haben Forschende von diesem Experiment geträumt“, sagt Studienleiter 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 Swiss FEL sah, war es mitten in der Nacht. „Es glühte wie ein Lichtpunkt auf dem Bildschirm. Für jeden anderen würde es nach nichts aussehen. Aber wir haben vor Freude Luftsprünge gemacht“, beschreibt sie den Moment.

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Vom ersten Signal zu komplexeren Systemen

Diese erste erfolgreiche Demonstration der Röntgen-Vierwellenmischung wurde in dem 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 Forscher die Machbarkeit bewiesen haben, können sie sich 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 Swiss FEL werden darin bestehen, komplexere Gase und schließlich Flüssigkeiten und Festkörper zu untersuchen, in denen die Elektronen innerhalb der Moleküle auf vielfältigere Weise miteinander wechselwirken.

Der Traum einer neuen Bildgebungstechnik

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 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“, vergleicht Knopp die technologische Bedeutung seines Experimentes. „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.“

Originalpublikation: Ana Sofia Morillo-Candas, Sven Augustin, Eduard Prat, Antoine Sarracini, Jonas Knurr, Serhane Zerdane, Zhibin Sun, Ningchen Yang, Marc Rebholz, Hankai Zhang, Yunpei Deng, Xinhua Xie, Elnaz Zyaee, David Rohrbach, Andrea Cannizzo, Andre Al-Haddad, Kirsten Schnorr, Christian Ott, Thomas Feurer, Christoph Bostedt, Thomas Pfeifer and Gregor Knopp: Coherent nonlinear X-ray four-photon interaction with core-shell electrons, Nature volume 649, pages 590–596, 14.1.2026; DOI: 10.1038/s41586-025-09911-1

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