Kalter Elektronenstrahl treibt ultrakompakten Röntgenlaser an

Auf der ganzen Welt suchen Forscher nach neuen Ansätzen zur Miniatu­ri­sierung von Röntgenlasern auf der Grundlage von Freien-Elektronen-Lasern. Sie sollen die Technik für die Anwendung kosten­günstiger und leichter zugänglich machen und darüber hinaus noch neue Einsatz­bereiche ermöglichen. Jetzt hat ein inter­nationales Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Bernhard Hidding von der University of Strathclyde in Großbritannien – der seit Anfang des Jahres an der Uni Düsseldorf tätig ist – einen Durchbruch erzielt. Die Ergebnisse des Teams zeigen, dass ein Plasma-Wakefield-Beschleuniger für einen kompakten X-FEL ein sehr viel­ver­sprechender Ansatz ist.

Der vorgeschlagene Aufbau nutzt eine fort­schritt­liche Methode zur Injektion der Elektronen in den eigentlichen Beschleuniger, eine Plasma-Photokathode. Diese Photokathode kann Elektronen mit geringer Impuls­ver­teilung erzeugen, welche sich zu kalten Elektronen­strahlen bündeln. Diese Elektronen­strahlen sind 100.000 Mal heller als in den modernsten Injektoren. Das Beschleu­ni­gungs­feld von einigen Dutzend oder Hunderten von Gigavolt pro Meter in einem Plasma-Wakefield-Beschleuniger ermöglicht einen Beschleuniger von wenigen Zentimetern Größe – im Vergleich zu herkömm­lichen Beschleunigern, die mehrere Kilometer messen können. Das Team hat sich auch mit der Frage befasst, wie die ultra­hellen Elektronen­strahlen aus der Plasma-Photokathode extrahiert, transportiert, isoliert und in den „Undulator“ des X-FEL ohne Ladungs- und Qualitäts­verluste eingespeist werden können.

Im Undulator erzeugt der fokussierte Elektronen­strahl leistungs­starke kohärente Photonenpulse im Wellen­längen­bereich von Ångström mit einer Pulsdauer im Atto­sekunden­bereich. Das gesamte System ist nur wenige Dutzend Meter lang, verglichen mit den sehr langen aktuellen X-FEL-Maschinen. Die Wissenschaftler glauben, dass ihr Verfahren das Tor zur nächsten Generation ultra­kompakter X-FELs sein können.

„Die Aussichten auf einen ultrakompakten X-FEL sind viel­ver­sprechend. Unsere Ergebnisse sind wichtige erste Meilensteine, aber es liegt noch viel Arbeit vor uns, um den Ansatz experimentell umzusetzen“, betont Fahim Habib, von der University of Strathclyde. Erste experimentelle Beweise für die Plasma-Photokathoden-Injektion in Plasma-Wakefield-Beschleunigern wurden am SLAC-Laboratorium in den USA erbracht. Das jetzt beginnende erweiterte Programm am SLAC zielt darauf ab, den nächsten Sprung in der Qualität und Stabilität des Elektronenstrahls zu machen.

Parallel zu den Arbeiten in den USA läuft ein europäisches Plasma­beschleuniger­programm. An der Uni Düsseldorf beginnt das Team von Hidding mit der program­ma­tischen Entwicklung der hybriden Plasma-Wakefield-Beschleunigung, bei der der Elektronen­strahl, der die Plasma-Photokathode antreibt, aus einem kompakten lasergetriebene Plasma-Wakefield-Beschleuniger stammt. Dafür wird das Hoch­leistungs­laser­system ARCTURUS genutzt.

Die Vision der Forscher ist, dass diese Plattform den Weg zu ultra­kompakten, ultrahellen X-FELs im univer­si­tären Labor­maßstab eröffnet. Ein solches System könnte als grund­legende Leuchtturm-Infra­struktur für den Einsatz in den Natur-, Material- und Biowissen­schaften und für die Industrie genutzt werden. So könnte in Zukunft die X-FEL-Technologie einer wesentlich größeren Zahl an Forschern zeitnah zur Verfügung gestellt werden.

„Wir sind in der glücklichen Lage, dass uns die Uni Düsseldorf ermöglicht, systematisch auf dieses große Ziel hinzu­arbeiten und das Beste aus beiden Welten zu kombinieren: die lasergesteuerte Elektronen­strahl­produktion und die Plasma-Photo­kathoden“, erklärt Hidding. „Die Fähigkeit, gleichzeitig und synchronisiert 100.000-mal hellere Elektronen­strahlen zu erzeugen, könnte einen trans­for­mativen Einfluss auf die Photonen­forschung und sogar auf bisher unmögliche Experimente in der Grund­lagen­physik haben." Es ist zu erwarten, dass ultra­kompakte X-FELs eine Menge an neuen Anwendungen hervor­bringen.

HHU Düsseldorf / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  A. F. Habib et al.: Attosecond-Angstrom free-electron-laser towards the cold beam limit, Nat. Commun. 14, 1054 (2023); DOI: 10.1038/s41467-023-36592-z
• Plasmas, Dept. of Physics, University of Strathclyde, Glasgow, Großbritannien
• Laser- und Plasmaphysik, Mathematisch-naturwissenschaftliche Fklt., Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf