Mini-Teilchenbeschleuniger - Photonik

Mini-Teilchenbeschleuniger

Rund 26 Kilometer im Umfang misst der größte Teilchenbeschleuniger der Welt – der Large Hadron Collider am CERN in der Schweiz. Nun soll ein System entwickelt werden, das auf einen Mikrochip passt.

Bild: FAU / Nature Physics 2017
Schema des Versuchsaufbaus: Elektronen werden in der Elektronenkanone durch Photoemission unter Verwendung... mehr...

Der Grundgedanke hinter dem Mini-Teilchenbeschleuniger ist es, Laserstrahlen dazu zu nutzen, Elektronen zu beschleunigen. Dazu muss es gelingen, die Schwingung des Lichts und die Bewegung der Elektronen hochpräzise zu kontrollieren, damit beide im richtigen Moment aufeinandertreffen. Es ist also wichtig zu wissen, wann und wo das Maximum der Lichtwelle auf ein Elektronenpaket trifft, um dieses gezielt beeinflussen zu können. Licht und Elektronen müssen im Bereich von Attosekunden aufeinander abgestimmt werden.

Eine Forschergruppe um Prof. Dr. Peter Hommelhoff von der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) hat eine neue Technik entwickelt, mit der sich zwei Laserstrahlen kreuzen lassen, die in unterschiedlichen Frequenzen schwingen und so ein optisches Feld erzeugen, dessen Eigenschaften die Forscher genau beeinflussen können. Die wichtigste Eigenschaft dieses optischen Felds ist es, dass es mit den Elektronen mitläuft – daher auch Wanderwelle genannt --, und so die Elektronen kontinuierlich das optische Feld spüren. Auf dieser Art und Weise überträgt das optische Feld seine Eigenschaften exakt auf die Teilchen. Die Teilchen werden bei diesem Prozess auch noch sehr stark beschleunigt. Dies ist ebenfalls für die praktische Anwendung des Mini-Teilchenbeschleunigers wichtig. Der Beschleunigungsgradient, der angibt, um wieviel sich die Teilchenenergie pro Strecke ändert, ist mit 2,2 Gigaelektronenvolt pro Meter viel höher als der von klassischen Beschleunigern. Mit einer Beschleunigungsstrecke von nur 0,01 Millimeter kann das Experiment der Erlanger Wissenschaftler aber noch nicht die Energie erzeugen, die für Anwendungen interessant sein könnte. „Doch für Teilchenbeschleuniger in der Medizin würde schon eine Flugbahn von weniger als einem Millimeter ausreichen“, erklärt Dr. Martin Kozák, der das Experiment im Labor durchgeführt hat.

In der Miniaturisierung der Beschleuniger sieht Hommelhoff eine ähnlich technische Revolution wie in der Entwicklung von Computern, die zunächst ganze Räume einnahmen und nun im Miniaturformat vorliegen. Die neue Art der Teilchenbeschleunigung auf einem Mikrochip soll für unterschiedliche Forschungsbereiche und Anwendungsfelder wie in den Werkstoffwissenschaften, der Biologie und der Medizin nutzbar sein.

Seit 2015 arbeiten die Forscher gemeinsam mit Wissenschaftlern von der Stanford Universität sowie acht weiteren internationalen Partnerinstitutionen in der „Accelerator on a Chip International Program” (ACHIP) zusammen. Die „Gordon and Betty Moore Foundation“ fördert das Projekt für insgesamt fünf Jahre mit ca. 12,5 Mio. Euro; davon gehen ca. 2,26 Mio. Euro an die FAU.

Originalveröffentlichung:
[M. Kozák, T. Eckstein, N. Schönenberger, P. Hommelhoff, Inelastic ponderomotive scattering of electrons at a high-intensity optical travelling wave in vacuum, Nat. Phys. (2017), DOI: 10.1038/nphys4282]

www.fau.de

www.achip.stanford.edu

 
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