Teilchenbeschleuniger: Statt kilometerlang nur zentimeterkurz
Forscher aus Deutschland stecken mit Kollegen aus anderen Ländern die nächsten Jahre die Köpfe zusammen, um Teilchenbeschleunigern das Schrumpfen zu lehren. Auf Chipgröße. Und das obwohl die bisherigen Anlagen kilometerlang sind. Kann das Vorhaben gelingen?
Drei Miniatur-Beschleunigermodule aus Silizium auf einer durchsichtigen Basis.
Foto: SLAC National Accelerator Laborat
Bei Null fängt das internationale Team jedenfalls nicht an: Basis ist eine Entwicklung des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik in Garching. Dort haben der Amerikaner John Breuer und der deutsche Physiker Peter Hommelhoff bereits einen Beschleuniger gebaut, der die Hoffnung schürt, dass Materialforscher, Biologen und andere Wissenschaftler in wenigen Jahren hochpräzise Elektronen- und Röntgenstrahlen im eigenen Labor erzeugen können. Jetzt müssen sie oft zermürbend lang auf einen Experimentierplatz warten.
Rare Experimentiermöglichkeiten
Zum Beispiel am Elektronenbeschleuniger Petra III, den das Deutsche Elektronensynchrotron (Desy) in Hamburg betreibt. Mit Petra III haben die Hamburger zum Beispiel auch schon Fragen beantwortet, wie denn die weiße Schicht auf der Oberfläche alternder Schokolade entsteht.
Wer Beschleuniger Petra einen Experimentierplatz ergattert, freut sich, als habe er den Lotto-Jackpot geknackt. Denn die Zeiten, zu denen Gäste dort arbeiten können, sind äußerst knapp. Ähnlich eng geht es an den anderen großen Speicherringen zu. Die Wartezeit liegt nicht selten bei einigen Monaten.
Extrem scharfe Röntgenstrahlen
Hommelhoff, der inzwischen an den Lehrstuhl für Laserphysik an der Universität Nürnberg-Erlangen gewechselt ist, und sein US-Kollege Breuer hoffen, schon in wenigen Jahren einen Beschleuniger in der Größe eines Schuhkartons vorstellen zu können. Dann gäbe es keine Engpässe und langen Wartezeiten mehr. Die Miniaturisierung der Teilchenbeschleuniger tut not. Den jetzige Anlagen sind riesig – und unglaublich teuer. Desy in Hamburg ist beispielsweise 2304 m lang. Das CERN in der Schweiz, der größte Teilchenbeschleuniger der Welt, kommt sogar auf 27 km.
Hommelhoff will den Beschleuniger dagegen auf einen Chip bannen. Er leitet nun ein internationales Forscherteam gemeinsam mit seinem Professorenkollegen Robert Byer von der Universität Stanford in Kalifornien. Vorläufer der Mini-Beschleuniger sind von Forschern am US-Beschleunigerzentrum SLAC, die ebenfalls zum Team gehören, bereits präsentiert worden.
Die Abbildung zeigt die Struktur des Teilchenbeschleunigers auf einem Mikrochip: Die Elektronen werden extrem nah an einer mikrostrukturierten Glasstruktur (gelbe Pfeile) entlanggeschossen. Von der Seite werden durch die feine Glasstruktur hindurch kurze intensive Laserpulse auf die Elektronen fokussiert, wodurch die Elektronen beschleunigt werden.
Quelle: Joshua McNeur/Universität Nürnberg-Erlangen
Die Grundidee: Sie wollen die Elektronen mit Laserstrahlen beschleunigen. Der Beschleuniger, den Breuer und Hommelhoff in Garching gebaut haben, hat die amerikanische Gordon-und-Betty-Moore-Stiftung überzeugt, die Intel-Mitbegründer Gordon E. Moore und seiner Frau im Jahr 2000 ins Leben gerufen haben. Die Stiftung fördert die Entwicklung über fünf Jahre mit umgerechnet 12,6 Millionen €.
Laserstrahlen beschleunigen die Elektronen
Während der Beschleuniger der Garchinger Forscher noch nach Metern maß, geht es jetzt um eine Verkleinerung um noch einmal zwei Zehnerpotenzen. „Das ‚Schrumpfen‘ von Beschleunigern ist ähnlich relevant wie die Evolution von Computern, die einst ganze Räume füllten und heute um das Handgelenk getragen werden können“, sagt Hommelhoff. Das Projekt basiert auf Entwicklungen der Nano-Photonik, also der Herstellung und Nutzung von Nanostrukturen zur Erzeugung und Manipulation von Licht.
Beispiele für Nanostrukturen, die für den Miniaturbeschleuniger untersucht werden.
Quelle: SLAC National Accelerator Laboratory
Während in Großbeschleunigern elektromagnetische Wellen genutzt werden, um die Teilchen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen, bringen deren kleine Brüder Elektronen mit Laserstrahlen auf Touren, die im sichtbaren oder infraroten Lichtspektrum arbeiten. Die Wellenlänge dieses Laserlichts ist zehn- bis hunderttausend Mal kürzer als die der elektromagnetischen Wellen.
Entsprechend flott werden die Elektronen beschleunigt, anders ausgedrückt: Sie erreichen das gewünschte Tempo entsprechend schneller. „Der Vorteil: Alles wird bis zu fünfzigmal kleiner“, sagt Desy-Wissenschaftler Franz Kärtner, der auch Professor an der Universität Hamburg und am Massachusetts Institute of Technology (MIT) in den USA ist und zum Entwicklerteam gehört.
Silizium statt Glas
Während das Garchinger Team noch auf Glas für den Bau der Miniatur-Beschleunigerzellen setzte, vertrauen die Forscher jetzt auf Silizium. Desy arbeitet unter anderem an einer Elektronenquelle, die die Elementarteilchen in die Beschleunigermodule einspeisen soll, einem leistungsfähigen Laser zur Beschleunigung sowie einer Elektronen-Slalomstrecke zur Erzeugung von Röntgenlicht. Außerdem wird das Entwicklungslabor Sinbad („Short Innovative Bunches and Accelerators at Desy“) aufgebaut, in dem die Beschleunigerzellen getestet werden.
Konzeptstudie des künftigen Beschleunigers: In mehreren Stufen werden die Elektronen bis zur Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und mit relativistischen Energien aufgeladen.
Quelle: Physical Review Letters/John Breuer
In der Praxis werden mehrere dieser Mini-Beschleuniger hintereinandergeschaltet. Jeder schubst die Elektronen noch einmal an, bis sie die für die jeweilige Messung nötige Geschwindigkeit erreicht haben. Die Elektronen lassen sich direkt nutzen. Wenn sie allerdings auf eine Kurvenbahn gezwungen werden, entsteht Röntgenlicht, das ebenfalls für Mess- und Analysezwecke geeignet ist.
Wann der Beschleuniger vorliegt, ist fraglich, denn nun müssen die Wissenschaftler neue große Herausforderungen lösen: So müssen sie den Elektronenstrahl in seinem Durchmesser um ein 1000-faches verkleinern. Nicht nur das ist schwer, sondern auch, die Elektronen auf Linie zu halten. „Die Elektronen müssen auf einer schnurgeraden Linie gehalten werden. Sie lassen sich aber leicht in ihrer Richtung ablenken“, erklärt Prof. Hommelhoff. „Man kann sich Elektronen wie Murmeln vorstellen, die man entlang einer geraden Linie schieben will. Das ist mit einem langen Lineal sehr viel einfacher als wenn man es mit einem Textmarker versucht – vor allem, da die Elektronen sich immer auch untereinander abstoßen.“ Noch offen sind zudem Fragen, wie die Elektronen im Chip erzeugt werden, wie mit welcher Technik sie gesteuert und fokussiert werden. Auch das Chipdesign muss noch optimiert werden.
Mit ihrem tischgroßen Kielfeld-Beschleuniger Bella haben kalifornische Wissenschaftler ultrakurze Laserpulse durch ein strohhalmdünnes, etwa neun Zentimeter langes Röhrchen mit Plasma geschickt. Die mitgerissenen Elektronen wurden dabei auf 4,25 Gigaelektronenvolt beschleunigt.
Quelle: Roy Kaltschmidt/Berkeley Lab
Doch Hommelhoff und seine Kollegen sind nicht die Einzigen, die auf kleine Teilchenbeschleuniger mit Hilfe der Lasertechnik setzen. US-Forscher in Berkley haben einen tischgroßen Beschleuniger auf Laserbasis entwickelt, der bereits einen Weltrekord aufgestellt hat in Sachen Tempo.
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