Der bei Hamburg gebaute European-XFEL-Röntgenlaser erzeugt Strahlung durch Elektronen. In dem 2,1 Kilometer langen Haupttunnel der Forschungsanlage werden die winzigen Teilchen durch Laserbeschuss auf eine Metallplatte erzeugt und dann in einem 1,7 Kilometer langen Beschleuniger eingespeist. Der besteht aus auf minus 271 Grad Celsius gekühlten Supraleitern. In diesen werden die Elektronen mit Mikrowellenfeldern annähernd auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt, bevor sie durch Spezialmagnete auf Slalomfahrt gezwungen werden. Während des Schlingerkurses nehmen die Elektronen abwechselnd Energie auf und geben sie in Form von extrem energiereichen, laserlichtartigen Röntgenstrahlen wieder ab.

Jeder dieser Laserröntgenblitze leuchtet dabei nur für wenige Femtosekunden auf, also einige Millionstel einer Milliardstel Sekunde. Das Licht in diesem Frequenzbereich durchdringt ungehindert Materialproben und liefert mit atomarer Auflösung Bilder von Molekülen.

Sogar das Umgruppieren von Elektronen, wie sie bei chemischen Reaktionen in und zwischen Atomen erfolgt, lässt sich auf diese Weise beobachten. Nachdem die Blitze die Proben durchdrungen haben, werden sie mit optischen Spiegeln, Gittern oder Kristallen gebündelt, aufgefächert oder gefiltert. Mit speziellen Nachweisgeräten können die Forscher die Signale dann auswerten. Sechs verschiedene Messplätze wird European XFEL in der ersten Phase haben.