Polarisationstransfer via Laserpuls

Physiker des Max-Planck-Instituts für Kernphysik in Heidelberg haben neuartige Methoden zur Erzeugung rela­tivistischer spin­polarisierter Elektronen- und Positronen­strahlen vorgestellt. Anhand von Simulations­rechnungen fanden sie drei verschiedene Szenarien für effizienten Polarisations­transfer von intensiven Laser­strahlen auf Teilchen­strahlen mit einem Polarisations­grad von bis zu siebzig Prozent. Eine Schlüssel­rolle spielt hier die spin­abhängige Strahlungs­rückwirkung.

Bei elektro­magnetischen Wellen wird die Polari­sation durch die Richtung des elek­trischen Feldvektors beschrieben; bei Teilchen­strahlen fällt dem Spin mit der Richtung der Drehachse diese Rolle zu. Die Wechsel­wirkung von Licht und Teilchen ist in vielen Fällen von der jeweiligen Polari­sation abhängig. Aus der Chemie etwa kennt man die Drehung der Polarisations­ebene von Licht, das eine Zucker­lösung durchläuft; in der Kernphysik erweisen sich die Kräfte zwischen den Nukleonen in einem Atomkern als von deren Spin abhängig. Daher sind für Experimente intensive polari­sierte Strahlen von hohem Interesse.

Für geladene Teilchen mit Spin ist es aber sehr schwierig, die gewünschte Spin­ausrichtung zu präparieren. Zwar verhalten sich diese wie kleine Magnet­nadeln und könnten mit Magnet­feldern hinsichtlich ihres Spins getrennt werden. Zugleich wirkt aber die Lorentzkraft, welche an der Bewegung der Elektronen angreift. Um beide Einflüsse gleichzeitig zu kontrollieren, müssen Ort und Geschwindigkeit sehr genau bekannt sein – und dem steht fundamental die Unschärfe­relation der Quantenphysik entgegen. Es wurden verschiedene Verfahren entwickelt, dieses Problem zu umgehen, indem etwa schon bei der Erzeugung von Elektronen­strahlen eine Spinrichtung bevorzugt wird, oder indem relati­vistische Effekte in Speicher­ringen ausgenutzt werden. Diese sind aber nicht besonders effizient hinsichtlich des erreich­baren Polarisations­grads oder der Ausbeute an polarisierten Teilchen.

Physiker der Theorie­abteilung von Christoph Keitel am Heidelberger Max-Planck-Institut für Kernphysik und der Xi’an-Jiaotong-Universtät (China) um Jianxing Li haben nun eine neue Methode vorgeschlagen, mit der sich rela­tivistische, unpolari­sierte Elektronen­strahlen durch Beschuss mit intensiven polari­sierten Laserpulsen in Teilstrahlen mit entgegen­gesetztem Spin trennen lassen. Hierzu haben sie Monte-Carlo-Simulations­rechnungen durchgeführt, in welchem ein Paket rela­tivistischer Elektronen einem polarisierten hoch­intensiven Laserblitz entgegenläuft. Es zeigt sich, dass für leicht elliptisch polarisiertes Licht der Elektronen­strahl in Richtung des kleinen Durchmessers der Polarisations­ellipse in zwei Komponenten mit jeweils entgegen­gesetztem Spin aufspaltet.

Zugrunde liegt dabei die Strahlungs­rückwirkung. Die Elektronen werden im Laserfeld von dessen elek­trischer und magnetischer Kraft hin- und hergetrieben und diese Bewegung führt wiederum zur Abstrahlung von Lichtquanten, die zudem von der Spinrichtung abhängt. Hierbei erfährt das Elektron einen kleinen Rückstoß, was seine Bewegungs­richtung ändert. Für rein lineare oder zirkulare Polarisation des Lasers geschieht dies aber in gleicher Weise für alle möglichen Richtungen, welche die oszil­lierenden Felder annehmen können, so dass am Ende Elektronen einer bestimmten Spinrichtung eine Ablenkung sowohl nach links wie nach rechts erfahren. Für leicht elliptische Polarisation ist aber diese Symmetrie aufgehoben und ergibt den gewünschten Effekt der Spintrennung. In den Rechnungen ergab sich ein Polarisations­grad von bis zu siebzig Prozent.

In einer weiteren Studie haben die Heidelberger Physiker ein Verfahren zur Herstellung polari­sierter Positronen untersucht. Hierbei wird den rela­tivistischen Elektronen ein asymmetrisch linear polarisierter Laserpuls entgegen geschossen, dessen Feld in einer Richtung deutlich stärker ist. Dies lässt sich durch Überlagerung zweier Laserpulse verschiedener Farbe erreichen. Durch Wechsel­wirkung der energiereichen Elektronen mit dem hoch­intensiven Laserfeld werden Elektron-Positron-Paare erzeugt, die in Richtung bzw. entgegen der magnetischen Komponente des Lasers polarisiert sind. Diese Paar­erzeugung ist ein nichtlinearer Prozess, der bei schwächeren Feldern stark unterdrückt wird. Daher bewirkt die Asymmetrie des Laserpulses eine deutliche Polari­sation der erzeugten Positronen von bis zu sechzig Prozent. Dies genügt den Anforderungen für verschiedene Anwen­dungen in der Hochenergie­physik.

Schließlich wurde in einer dritten Arbeit der Gruppe die Erzeugung hoch­intensiver polari­sierter Elektronen­strahlen betrachtet. Experimentell wurde kürzlich gezeigt, dass mit zirkular polarisierten Laser­strahlen aus Molekülen polarisierte Gastargets sehr hoher Dichte erzeugt werden können. Beschießt man ein solches Target mit einem hochintensiven Laser, so bildet sich ein Plasma worin sich Störungen wellenförmig ausbreiten und quasi in deren Kielwasser Elektronen auf hohe Energien beschleunigt werden. Ein Problem sind die dabei auftretenden Magnet­felder, welche die Spinrichtung ändern und so zu einer Depolarisation führen können. Exakt auf der Stahlachse verschwinden diese Magnetfelder. Mittels „Particle-in-Cell“-Simulationen konnten die Heidel­berger Theoretiker Bedingungen finden, unter welchen die beschleu­nigten Elektronen entlang der Strahlachse stark gebündelt werden. So könnten Ströme im Bereich von Kiloampere erzeugt und zugleich die Depolari­sation auf etwa zehn Prozent begrenzt werden.

MPIK / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  Y.-F. Li et al.: Ultrarelativistic Electron-Beam Polarization in Single-Shot Interaction with an Ultraintense Laser Pulse, Phys. Rev. Lett. 122, 154801 (2019); DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.154801
• M. Wen et al.: Polarized Laser-WakeField-Accelerated Kiloampere Electron Beams, Phys. Rev. Lett. 122, 214801 (2019); DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.214801
• Y.-Y. Chen et al.: Polarized positron beams via intense two-color laser pulses, preprint arXiv 1904.04110 (2019)
• Division Theoretical Quantum Dynamics and Quantum Electrodynamics (C. H. Keitel), Max-Planck-Institut für Kernphysik MPIK, Heidelberg