Liebling, ich habe den Teilchenbeschleuniger geschrumpft

Terahertz-Strah­lung liegt im elektro­magne­tischen Spektrum zwischen Infra­rot­licht und Mikro­wellen. Üblicher­weise wird in Teil­chen­beschleu­nigern elektro­magnetische Strahl­ung im Hoch­frequenz­bereich von Radio­wellen verwendet, beim DESY-Beschleuniger PETRA-III beträgt dieser Wert beispiels­weise fünf­hundert Mega­hertz. Die Wellen­länge der hier verwen­deten Tera­hertz-Strah­lung ist rund tausend­mal kürzer. „Der Vorteil: Alles wird tausendmal kleiner“, erläutert Franz Kärtner vom DESY, Professor an der Uni Hamburg und am MIT sowie Mitglied im Hamburger Exzellenz­cluster Center for Ultrafast Imaging. Ein einzelnes Beschleunigungsmodul ist nur 1,5 Zentimeter lang und einen Millimeter dünn.

Für ihren am MIT in Boston auf­gebauten Proto­typ, verwendeten die Forscher ein spezielles, mikr­­ostrukturiertes Beschleuniger­modul, das für Tera­hertz-Strahlung maß­ge­schneidert ist. Aus einer Art Elektronen­kanone, die von der Gruppe um Dwayne Miller bereitgestellt wurde, schossen die Physiker schnelle Elektronen in das Miniatur-Beschleu­nigermodul, die dort von der ein­gespeisten Tera­hertz-Strahl­ung weiter be­schleunigt wurden. Die Energie der Teilchen erhöhte sich in diesem ersten Prototyp um sieben Kilo­elektronen­volt.

„Diese Beschleunigung ist noch nicht sehr stark, aber der Versuch belegt, dass dieses Prinzip in der Praxis funktioniert“, erläutert Arya Fallahi, der für die theoretischen Berech­nungen zuständig war. So ist ein Beschleunigungs­gradient von bis zu einem Gigavolt pro Meter möglich ist. Das liegt mehr als zehn Mal über dem Wert, den die besten konven­tionellen Beschleuniger­module heute erreichen. Eine noch stärkere Beschleunigung verspricht die ebenfalls experimentelle Plasma­beschleuniger-Technik, die allerdings auch deutlich stärkere Laser zum Betrieb erfordert.

Die Ter­ahertz-Technik sei sowohl im Hinblick auf künftige Linear­beschleuniger für die Teilchen­physik interessant, als auch für den Bau kompakter Röntgenlaser und Elektronen­quellen für die Material­forschung sowie für die medizinische Anwendung von Röntgen- und Elektronenstrahlen, schreiben die Physiker. „Die rasanten Fortschritte, die wir bei der Erzeugung von Tera­hertz-Strahlung mit optischen Methoden erleben, wird künftig die Entwicklung von Tera­hertz-Beschleunigern für diese Anwen­dungen ermöglichen“, betont Emilio Nanni vom MIT. In den kommenden Jahren möchten die Hamburger CFEL-Physiker auf Tera­hertz-Basis einen experimentellen kompakten Freie-Elektronen-Röntgenlaser XFEL im Laborformat aufbauen. Dieses Projekt wird von einem Synergy Grant des European Research Council unterstützt.

Der experimentelle XFEL auf Basis der Terahertz-Technik soll nicht einmal einen Meter messen. Allerdings werden seine Blitze nicht so energiereich sein wie aus einer großen Anlage. Dafür lassen sie sich kürzer machen und könnten dadurch in der Spitze kurzzeitig fast dieselbe Helligkeit erreichen. Von so einem Gerät erwarten die Forscher deutlich kürzere Röntgen­pulse von unter einer Femtosekunde. Damit erhoffen sie sich neue Einblicke in extrem schnelle chemische Prozesse wie zum Beispiel die Photosynthese.

Wenn Forscher die Photo­synthese im Detail verstehen lernen, würde sich die Chance eröffnen, diesen effizienten Prozess künstlich nachzubilden und damit verbesserte Solar­zellen zu bauen und neue Möglich­keiten zur CO₂-Reduktion zu finden. Darüber hinaus interessieren sich Forscher für zahlreiche andere chemische Reaktionen. Die Photo­synthese ist nur ein Beispiel für alle möglichen katalytischen Prozesse, die sie erkunden wollen. Der kompakte Röntgen­laser eignet sich grundsätzlich auch, um Pulse in großen derartigen Anlagen auszulösen und dadurch deren optische Qualität zu verbessern. Außerdem könnten bestimmte medizinische Abbildungs­verfahren von den verbesserten Eigen­schaften der neuen Röntgen­quelle profitieren.

DESY / SK