Elektronen surfen auf Laserlicht

Rund 26 Kilometer im Umfang misst der größte Teilchenbeschleuniger der Welt – der Large Hadron Collider am CERN in der Schweiz. Die welt­weit kleinste Maschine dieser Art zu kon­stru­ieren, ist das Ziel von Forschern der Uni Erlangen-Nürn­berg: ein Teilchen­beschleu­niger, der auf einen Mikro­chip passt. Diesem Ziel sind die Wissen­schaftler jetzt einen weiteren Schritt näher gekommen.

Der Grundgedanke hinter dem Mini-Teilchenbeschleuniger ist es, Laser­strahlen dazu zu nutzen, Elek­tronen zu beschleu­nigen. Klingt simpel, doch um die Idee tat­säch­lich in der Praxis umzu­setzen, müssen die Wissen­schaftler noch eine ganze Reihe von Heraus­forde­rungen bewäl­tigen. Zum Beispiel muss es ihnen gelingen, die Schwingung des Lichts und die Bewegung der Elek­tronen hoch­präzise zu kon­trol­lieren, damit beide im rich­tigen Moment auf­ein­ander­treffen.

Genau das ist einem Team um Peter Hommelhoff jetzt erstmals gelungen. Die Forscher haben eine neue Technik ent­wickelt, bei der sie zwei Laser­strahlen kreuzen, die in unter­schied­lichen Frequenzen schwingen und so ein optisches Feld erzeugen, dessen Eigen­schaften sich höchst genau beein­flussen lassen. Die wich­tigste Eigen­schaft des optischen Feldes ist es, dass es mit den Elek­tronen mit­läuft und so die Elek­tronen konti­nuier­lich das optische Feld spüren. Auf dieser Art und Weise über­trägt das optische Feld seine Eigen­schaften exakt auf die Teilchen.

Aber die Teilchen werden bei diesem Prozess auch noch beschleunigt, und zwar sehr stark. Der Beschleu­ni­gungs-Gradient ist mit 2,2 Giga­elek­tronen­volt pro Meter extrem hoch, viel höher als der von klas­sischen Beschleu­nigern. Nur mit einer Beschleu­ni­gungs­strecke von nur einem Hundert­stel Milli­meter kann das Experi­ment der Wissen­schaftler 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 Martin Kozák, der das Experi­ment im Labor durch­geführt hat.

In der Miniaturisierung der Beschleuniger sieht Projekt­leiter Hommel­hoff eine ähn­lich tech­nische Revo­lu­tion wie in der Ent­wick­lung von Computern, die zunächst ganze Räume ein­nahmen und nun am Hand­gelenk getragen werden können. „Durch diesen Ansatz werden wir hoffent­lich in der Lage sein, eine neue Art der Teilchen­beschleu­nigung für unter­schied­liche Forschungs­bereiche und Anwen­dungs­felder nutz­bar zu machen – wie in den Werk­stoff­wissen­schaften, der Bio­logie oder Medizin, zum Beispiel für Partikel­therapien bei Krebs­patienten.“

FAU / RK