Elektronen reiten auf der Welle
Teilchenbeschleuniger, die heute Kilometer lang sind, können bei gleicher Leistung auf wenige Meter schrumpfen. Der neue Baustoff ist Glas oder Silizium.
Die Elektronen (blau) werden so abgeschossen, dass sie über die eingeritzte Glasoberfläche streifen. Die Lichtwellen (rot) bringen sie auf ein höheres Tempo.
Foto: MPG
Surfer träumen stets von der perfekten Welle, die sie weit über das Wasser trägt bis hin zum Strand. Physiker in Garching bei München haben sie gefunden, und sie können sie immer wieder in Gang setzen. Sie beschleunigen allerdings keinen Surfer, sondern Elektronen. Diese reiten auf einer Welle aus Licht und werden dabei immer schneller.
Die Wissenschaftler haben den Grundstein gelegt für neuartige Teilchenbeschleuniger, die nur noch ein paar Meter lang sind und dennoch die gleiche Leistung bringen wie heutige Linearbeschleuniger, die ein paar Kilometer lang sind. Letztlich werden sie sie sogar übertreffen. Damit haben Materialforscher, Kernphysiker und Biotechniker ein Werkzeug, das überall aufgebaut und genutzt werden kann. Experimentierzeiten an Linearbeschleunigern sind dagegen äußerst knapp, weil es weltweit nur wenige Anlagen gibt. Deshalb stehen die Forscher oft Monate lang in der Warteschleife. Auf hohe Geschwindigkeit beschleunigte Elektronen und andere winzige Partikel können feinste Strukturen in lebendem und totem Material sichtbar machen.
John Breuer und Peter Hommelhoff vom Max-Planck-Institut für Plasmaphysik haben den Aufbau des Teilchenbeschleunigers grundlegend verändert. In herkömmlichen Anlagen beschleunigen elektromagnetische Felder die Partikel. Diese werden mit Bauteilen aus Metall erzeugt. Je größer die Felder, desto schneller werden die Partikel. Es gibt allerdings eine Obergrenze, bei der die metallischen Baugruppen beschädigt werden.
Metallfreie Werkstoffe wie Glas oder Silizium sind völlig unempfindlich gegenüber elektrischen Feldern. Die Garchinger Physiker ritzten auf einer Länge von zwei hundertstel Millimetern feine Kerben in die Oberfläche eine Glasstückchens. Dabei hielten sie einen Abstand von exakt 750 Nanometer ein – ein Nanometer ist ein Millionstel Millimeter. Dieses Beugungsgitter, wie es fachmännisch genannt wird, lenkt Licht, das senkrecht eintrifft, in verschiedene Richtungen ab. Eine dieser Richtungen befindet sich parallel zur Oberfläche. Genau diesen Lichtteilchenstrom nutzen die Physiker, um Elektronen, die hineingeschossen werden, zu beschleunigen. Sie reiten gewissermaßen auf der Lichtwelle. Zeitgleich mit Forschern der Universität Stanford und des SLAC National Accelerator Laboratory im kalifornischen Menlo Park haben die Garchinger es als erste geschafft, Elektronen auf diese Weise zu beschleunigen.
Vorbild ist die Chipproduktion
Der winzige Beschleuniger des deutschen Teams schafft hochgerechnet 25 Megaelektronenvolt pro Meter, das ist etwa die gleiche Beschleunigungskraft wie die konventioneller Anlagen. Um mehr zu erreichen müsste der Abstand der Kerben auf der gläsernen Oberfläche immer größer werden. Die Max-Planck-Forscher können sich vorstellen, das Glas gegen Silizium auszutauschen, dessen Oberfläche sich mit den Belichtungs- und Ätztechniken, die bei der Herstellung von Speicherchips und Mikroprozessoren verwendet werden, leichter bearbeiten lässt.
Als wichtigsten Vorteil der neuen Methode nennt Breuer die leichte Skalierbarkeit des Verfahrens. Dass bedeutet, dass mehrere dieser kleinen Beschleuniger hintereinander geschaltet werden können. Die Elektronen, die aus einer Einheit herausgeschossen kommen, werden in der jeweils nächsten weiter beschleunigt.
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