Elektronen aus der Schachtel

Forscher von DESY und dem Massa­chusetts Institute of Technology MIT haben eine neuartige Elektronen­quelle entwickelt, die kleiner ist als eine gewöhnliche Streichholz­schachtel. Die Miniquelle produziert kurze und stark gebündelte Elektronen­strahlen, die sich zur Untersuchung verschiedenster Materialien einsetzen lassen, von Biomolekülen bis hin zu Supraleitern. Außerdem könnte sie die Teilchen­beschleuniger der nächsten Generation von Röntgenlasern mit maß­geschneiderten Elektronen­paketen versorgen. Heute eingesetzte Elektronen-Guns können leicht die Größe eines Autos erreichen.

Die Neuent­wicklung nutzt Terahertz-Strahlung statt der üblichen Hochfrequenz­felder, um Elektronen aus der Ruheposition zu beschleunigen. Da Tera­hertz-Strahlung viel kürzere Wellen­längen hat als Hochfrequenz-Strahlung, können die Abmessungen des gesamten Aufbaus erheblich schrumpfen. So misst die neuartige Elektronen­quelle nur 34 × 24,5 × 16,8 Millimeter – das ist etwas kleiner als eine Standard-Streich­holzschachtel.

„Terahertz-Elektronen­quellen sind klein und effizient“, erläutert W. Ronny Huang vom MIT, der seine Arbeit am Hamburger Center for Free-Electron-Laser Science CFEL durchgeführt hat, einer Koopera­tion von DESY, Universität Hamburg und der Max-Planck-Gesell­schaft. „Darüber hinaus können die verwendeten Tera­hertz-Wellen­leiter viel höhere Feldstärken vertragen als bei Hochfrequenz-Wellen­längen, wodurch die Elektronen einen viel stärkeren Anschub bekommen. So entstehen deutlich intensivere und kürzere Elektronenstrahlen.“ Ultrakurze Elektronen­strahlen mit minimaler Streuung der Energie der individuellen Teilchen, hoher Ladung und geringer zeitlicher Fluktuation können beispielsweise genutzt werden, um Phasen­übergänge in Metallen, Halbleitern und Molekül­kristallen mit Hilfe der Methode der ultra­schnellen Elektronen­diffraktion zu beobachten.

„Unsere Quelle besitzt einen Nanometer-dünnen Kupferfilm, aus dem ultraviolette Strahlungs­blitze kompakte Elektronen­wolken herausschlagen“, erläutert Huang. „Eine maßge­schneiderte Mikro­struktur kanalisiert die einge­speiste Terahertz-Laser­strahlung dann so, dass sie die maximale Wirkung auf die Elektronen entfaltet.“ Auf diese Weise erreicht die Quelle einen Be­schleunigungs­gradienten von 350 Megavolt pro Meter. „Das Beschleu­nigungsfeld ist fast doppelt so stark wie bei den modernsten konven­tionellen Quellen“, sagt Huang. „Wir konnten kompakte Pakete von je 250 000 Elektronen von 0 auf 500 Elektronen­volt beschleunigen, wobei die Energie der indi­viduellen Teilchen kaum schwankt. Mit diesen Eigen­schaften könnten die Elektronen­strahlen aus unserer Quelle bereits direkt für Unter­suchungen mit Hilfe der nieder­energetischen Elektronen­diffraktion verwendet werden.“

Das CFEL verfügt über große Hoch­leistungs­laser­labore, in denen sich die nötige Laser­strahlung erzeugen lässt. In dem neuartigen Aufbau erzeugt derselbe Laser sowohl die ultra­violetten Strahlungs­blitze zur Freisetzung der Elektronen­wolke als auch das Terahertz-Feld zur anschließenden Beschleu­nigung der Teilchen. „Das sorgt für eine zuver­lässige Synchro­nisierung und reduziert so die zeitliche Fluktuation erheblich“, erläutert Huang. Die Quelle arbeitete in den Versuchen der Forscher über mindestens eine Milliarde Elektronen­strahl­chüsse stabil.

„Elektronen­quellen sind unver­zichtbare Geräte, etwa um chemische Reaktionen mit Hilfe der ultra­schnellen Elektronen­diffraktion in atomarer Auflösung zu filmen – eine Technik, der vor allem die Gruppe von Dwayne Miller am Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie im CFEL den Weg bereitet“, sagt Kärtner. „Mit kleineren und besseren Elektronen­quellen können etwa Biologen bessere Einblicke in die Funktion der makro­molekularen Maschinerie in der Photo­synthese bekommen, und Physiker können zum Beispiel die fundamentalen Wechsel­wirkungs­prozesse in komplexen Festkörpern besser verstehen.“

„Darüber hinaus sind Elektronen­quellen wichtige Kompo­nenten von Röntgen­laser-Anlagen“, erläutert Kärtner. Am CFEL werde bereits an der nächsten Generation von Terahertz-Elektronen­quellen gearbeitet. Sie soll dann ultrakurze und ultrahelle Elektronen­strahlen mit höheren, relativistischen Energien und nur zehn Femto­sekunden Dauer produzieren. „Diese Geräte sollen als Photo­injektoren für kompakte Atto­sekunden-Röntgenlaser dienen“, berichtet Kärtner. Mit Hilfe von Atto­sekunden-Röntgenl­asern hoffen Forscher, ultra­schnelle Prozesse in der Natur zu entschlüsseln, etwa die Dynamik der Licht­absorption und des Elektronen­transports in der Photo­synthese.

DESY / JOL