Geschrumpfte „Maschine“: Dieser Teilchenbeschleuniger ist nur einige Nanometer groß
Teilchenbeschleuniger wie der am CERN in Genf sind riesig – 27 Kilometer lang ist er, und selbst die „kleinen“ Beschleuniger sind mehrere Meter groß. Ein Forschungsteam hat nun einen Miniaturbeschleuniger entwickelt, der kleiner ist als ein 1-Cent-Stück. Trotzdem liefert er rekordverdächtige Energie und einen eng gebündelten Strahl.
Dieser Teilchenbeschleuniger ist nicht nur extrem klein, erstmals ist es zudem FAU-Forschenden gelungen, Elektronen messbar zu beschleunigen.
Foto: FAU/Julian Litzel
Teilchenbeschleuniger sind in vielen Bereichen unverzichtbar, aber sie sind auch groß und teuer. Sie kommen in Industrie, Forschung und Medizin zum Einsatz und ihr Platzbedarf reicht von wenigen Quadratmetern bis hin zu Kilometern in Forschungseinrichtung. Das könnte sich ändern. Ein Team der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg arbeitet gerade einem winzigen Teilchenbeschleuniger, der gerade einmal so groß wie eine Fingerkuppe ist.
Klein haben schon viele versucht, allerdings konnte bislang noch kein wesentlicher Energiegewinn nachgewiesen werden. Das ist jetzt anders: Einem Team von Laserphysiker/-innen der FAU ist es nun gelungen, den ersten nanophotonischen Elektronenbeschleuniger zu demonstrieren, bei dem die Geschwindigkeit der Elektronen tatsächlich erheblich zugenommen hat. Ihre Ergebnisse haben die FAU-Forscher/-innen jetzt in der Fachzeitschrift „Nature“ veröffentlicht.
Dielektrische Laserbeschleuniger lassen die Geräte schrumpfen
Neben den riesigen Teilchenbeschleunigern in Forschungseinrichtungen begegnen uns im Alltag eher „kleinere“ Geräte, zum Beispiel bei medizinischen Bildgebungsverfahren oder bei der Strahlenbehandlung von Tumoren. Solche Teilchenbeschleuniger sind jedoch immer noch mehrere Meter groß und somit recht sperrig. Ihre Leistung lässt ebenfalls häufig zu wünschen übrig, wie das Forschungsteam betont.
Daher arbeiten rund die Welt Physikerinnen und Physiker daran, die Geräte zu verkleinern und die Leistung zu verbessern. Das soll mit dielektrischen Laserbeschleunigern oder, wie sie auch genannt werden, nanophotonischen Beschleunigern funktionieren. Die hierfür verwendeten Strukturen sind lediglich einen halben Millimeter lang. Der Kanal, in dem die Elektronen beschleunigt werden, ist sogar nur etwa 225 Nanometer breit. Die Beschleuniger sind somit nur etwa so groß wie ein Computerchip.
Teilchenbeschleuniger kann die Energie um 43 Prozent erhöhen
Im Rennen um die besten Miniatur-Teilchenbeschleuniger liegt neben der Nürnberger Gruppe noch die US-amerikanische Stanford University weit vorne. Beide Forschungsteams konnten bereits 2013 den ersten Prototypen vorstellen. Im Jahr 2020 konnte das Team aus Stanford erstmals zeigen, dass sich Elektronen tatsächlich mit ultrakurzen Laserpulsen auf einem Siliziumchip beschleunigen lassen.
Allerdings waren es damals nur einige hundert Elektronenvolt, das hat das Nürnberger Forschungsteam nun wesentlich besser hinbekommen. In ihrer Studie beschreiben sie einen Mini-Beschleuniger, der die Energie der Elektronen auf mehrere tausend Elektronenvolt erhöhen kann. Das alles geschieht auf 500 Mikrometer Länge bei einer Energieerhöhung von 43 Prozent. Zudem gelang es ihnen, den Elektronenstrahl sehr eng zu bündeln, was eine weitere Herausforderung bedeutete.
Das soll jedoch erst der Anfang sein, das Forschungsteam aus Nürnberg möchte den Energie- und Elektronenstromgewinn so weit steigern, dass der Teilchenbeschleuniger auf einem Chip für medizinische Anwendungen ausreicht. Der Energiegewinn müsste hierfür noch etwa um den Faktor 100 gesteigert werden. „Um höhere Elektronenströme bei höheren Energien am Ausgang der Struktur zu erreichen, müssen wir die Strukturen erweitern oder mehrere Kanäle nebeneinander legen“, erläutert Tomáš Chlouba die nächsten Schritte der FAU-Laserphysiker/-innen.
Die Forschenden aus Stanford haben übrigens fast zeitgleich ähnliche Ergebnisse veröffentlich, allerdings lag bei ihnen der Energiegewinn lediglich bei 25 Prozent.
So wurden die Teilchen gebündelt
Wie bereits geschrieben, ist das Bündeln der Teilchen eine große Herausforderung. In der Regel werden dafür externe Magnete verwendet, um Elektronen in einer Richtung quer zu ihrer Bewegung zu fokussieren. Diese Technik wird als Wechselphasenfokussierung (APF) bezeichnet. Bei dielektrischen Laserbeschleunigern ist der Einsatz externer Magnete jedoch schwierig, da diese Beschleuniger sehr klein sind.
Das Nürnberger Forschungsteam hat deshalb eine neue Methode entwickelt, um die Elektronen in einem dielektrischen Laserbeschleuniger zu fokussieren. Sie nutzen den Laser selbst, um die Elektronen zu bündeln. Die neue Methode, die APF-Confinement genannt wird, basiert auf einer optischen Mode, die das Laserlicht erzeugt. Die Elektronen werden in einer Struktur aus mikrometergroßen Siliziumsäulen beschleunigt. Die Siliziumsäulen sind in einzelnen Paketen angeordnet, die Makrozellen genannt werden.
Die Abstände zwischen den einzelnen Makrozellen sind so gestaltet, dass sie plötzliche periodische Änderungen in der Phase des Lichts hervorrufen. Diese Phasensprünge bewirken, dass die Elektronenpakete zunächst in einer Richtung senkrecht zu ihrer Bewegung fokussiert werden, wodurch der Strahl verengt wird. Anschließend werden die Elektronenpakete in einer Richtung parallel zu ihrer Bewegung gebündelt.
Wie sieht die Zukunft aus?
Wie bereits angedeutet, ist noch einiges an Entwicklungsarbeit zu leisten, damit der Mini-Teilchenbeschleuniger zum Beispiel für medizinische Anwendungen genutzt werden kann. Auch wenn er noch in weiter Ferne liegen mag, haben die Nürnberger Forschenden dennoch einen Traum: „Die Traumanwendung wäre, einen Teilchenbeschleuniger auf einem Endoskop zu platzieren, um eine Strahlentherapie direkt an der betroffenen Stelle im Körper durchführen zu können“, erklärt Dr. Tomáš Chlouba, einer der vier Erstautoren der kürzlich veröffentlichten Arbeit.
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