Mit dem ersten offiziellen Experiment bei 2 Petawatt Leistung hat die ZEUS-Laseranlage an der University of Michigan einen neuen Maßstab gesetzt. Kein anderer Laser in den USA erreicht derzeit eine vergleichbare Spitzenleistung. Unterstützt durch die US-amerikanische National Science Foundation (NSF) dient die Anlage der internationalen Forschung – und könnte die Entwicklung in Physik, Medizin und Materialwissenschaften entscheidend voranbringen.
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Ultrakurze Impulse mit enormer Energie
ZEUS steht für „Zettawatt Equivalent Ultrashort Laser Pulse System“. Die neue Anlage erzeugt extrem kurze Laserimpulse von nur 25 Trillionstel Sekunden Dauer. In dieser kurzen Zeit erreicht der Lichtstrahl eine Leistung von 2 Petawatt – das entspricht dem 100-fachen der weltweiten Stromerzeugung, wenn auch nur für einen winzigen Moment. Die 2 Petawatt entsprechen außerdem 2 Billiarde Watt.
Diese extremen Bedingungen sollen Forschenden neue Wege eröffnen, um fundamentale Prozesse der Natur zu untersuchen. „Dieser Meilenstein markiert den Beginn von Experimenten, die für die amerikanische Hochfeldwissenschaft Neuland betreten“, sagt Karl Krushelnick, Direktor des ZEUS-Zentrums an der Universität Michigan.
Eine Plattform für internationale Forschung
Die ZEUS-Anlage ist als sogenannte Nutzereinrichtung konzipiert. Das bedeutet: Forschungsteams aus den USA und aus aller Welt können Experimentvorschläge einreichen. Nach einem Auswahlverfahren erhalten die Teams Zugang zu Zeitfenstern, in denen sie ihre Versuche mit dem Laser durchführen dürfen. Ziel ist es, innovative Ideen aus möglichst vielen wissenschaftlichen Bereichen zu fördern.
„Das Tolle an ZEUS ist, dass es nicht nur ein großer Laserhammer ist, sondern dass man das Licht in mehrere Strahlen aufteilen kann“, erklärt Franklin Dollar von der University of California, Irvine. Sein Team ist das erste, das den ZEUS-Laser im 2-Petawatt-Betrieb nutzt.
Elektronenbeschleunigung wie in Teilchenbeschleunigern
Im aktuellen Experiment geht es darum, Elektronen auf extrem hohe Energien zu beschleunigen – vergleichbar mit jenen, die in hunderte Meter langen Teilchenbeschleunigern erzeugt werden. Dies geschieht mithilfe eines besonderen Effekts: der sogenannten Wakefield-Beschleunigung.
Dabei trifft ein Laserimpuls auf ein Gas – in diesem Fall Helium – und erzeugt ein Plasma. Das Licht bewegt sich im Plasma langsamer, wodurch die gelösten Elektronen den Impuls „einholen“ können. Dabei werden sie mitgerissen und beschleunigt – ähnlich wie Surfer in der Bugwelle eines Boots.
Um die Effektivität zu steigern, wurde das sogenannte Target – also das Zielmedium – verlängert. So haben die Elektronen mehr Zeit, um auf höhere Geschwindigkeiten gebracht zu werden. „Wir wollen höhere Elektronenenergien mit zwei separaten Laserstrahlen erreichen – einer bildet einen Führungskanal, der andere beschleunigt die Elektronen durch diesen Kanal“, erläutert Anatoly Maksimchuk, zuständig für die Entwicklung der Versuchsbereiche.
Vorbereitung auf das Haupt-Experiment
Das aktuelle Experiment dient als Vorstufe für das geplante Kernexperiment von ZEUS. Dabei sollen beschleunigte Elektronen mit einem entgegenkommenden Laserstrahl kollidieren. Durch die extreme Relativgeschwindigkeit erscheint der Laserimpuls für die Elektronen millionenfach intensiver – was einer theoretischen Leistung im Zettawattbereich entspräche.
Technik in Turnhallengröße
Die Anlage selbst passt in einen Raum, der etwa die Größe einer Schulturnhalle hat. Der Laser erzeugt zunächst einen Infrarotimpuls, der mithilfe spezieller optischer Gitter gedehnt, verstärkt und schließlich wieder komprimiert wird. Nach mehreren Verstärkungsphasen erreicht der Impuls seine Endform: eine extrem dünne, aber leistungsstarke Lichtscheibe von wenigen Mikrometern Dicke. Diese wird auf einen Fokus von 0,8 Mikrometern konzentriert – feiner als ein rotes Blutkörperchen.
Doch der Betrieb ist nicht ohne Herausforderungen. Eine zentrale Komponente, ein spezieller Kristall aus Titan-dotiertem Saphir, musste in einem aufwendigen Verfahren hergestellt werden. „Der Kristall, den wir im Sommer erhalten werden, wird uns auf 3 Petawatt bringen, und seine Herstellung hat viereinhalb Jahre gedauert“, sagt Projektleiter Franko Bayer.
Zwischenbilanz nach dem ersten Jahr
Seit der offiziellen Eröffnung im Oktober 2023 hat das ZEUS-Team bereits 15 Monate mit Experimenten verbracht – auch bei einer reduzierten Leistung von 1 Petawatt. Insgesamt wurden 11 Experimente mit 58 Teilnehmenden aus 22 Forschungseinrichtungen durchgeführt, darunter auch internationale Gruppen.
Parallel dazu arbeitet das Team kontinuierlich an der Optimierung des Systems. Ziel ist es, ZEUS dauerhaft bei voller Leistung betreiben zu können, ohne dass empfindliche optische Bauteile durch die intensiven Impulse beschädigt werden.
„Die Grundlagenforschung, die in der ZEUS-Anlage der NSF durchgeführt wird, hat viele mögliche Anwendungen, darunter bessere Bildgebungsverfahren für Weichgewebe und die Weiterentwicklung der Technologie zur Behandlung von Krebs und anderen Krankheiten“, erklärt Vyacheslav Lukin von der NSF.
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