Zum ersten Mal ist es Forschern gelungen, ein Nanogerät zur Beschleunigung von Elektronen einzusetzen. Teilchenbeschleuniger sind wichtige Werkzeuge in vielen Bereichen, darunter Industrie, Forschung und Medizin. Der Platzbedarf für diese Maschinen reicht von wenigen Quadratmetern bis hin zu großen Forschungszentren. Der Einsatz von Lasern zur Beschleunigung von Elektronen in photonischen Nanostrukturen ist eine mikroskopische Alternative, die das Potenzial hat, die Kosten deutlich zu senken und Geräte deutlich kleiner zu machen.
Bisher gibt es keine Hinweise darauf, dass dieser Ansatz die Energie signifikant steigern kann. Mit anderen Worten: Es ist nicht bewiesen, dass die Geschwindigkeit der Elektronen tatsächlich signifikant zugenommen hat. Jetzt hat ein Team von Laserphysikern der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) gemeinsam mit Kollegen der Stanford University den ersten nanophotonischen Elektronenbeschleuniger erfolgreich demonstriert.
Teilchenbeschleuniger und ihre Nanophotonenentwicklung
Wenn man „Teilchenbeschleuniger“ hört, denken die meisten wahrscheinlich an den Large Hadron Collider am CERN in Genf. Dieser 27 Kilometer lange Rundtunnel wird von Forschern aus aller Welt zur Untersuchung unbekannter Elementarteilchen genutzt. Dieser riesige Teilchenbeschleuniger ist jedoch eine Ausnahme. Wir begegnen ihnen häufiger an anderer Stelle in unserem täglichen Leben, beispielsweise bei medizinischen bildgebenden Verfahren oder der Bestrahlung von Tumoren. Dennoch sind diese Geräte immer noch mehrere Meter groß, recht sperrig und lassen hinsichtlich der Leistung zu wünschen übrig.
Um bestehende Geräte zu verbessern und zu verkleinern, arbeiten Physiker auf der ganzen Welt an dielektrischen Laserbeschleunigern, auch Nanophotonenbeschleuniger genannt. Die von ihnen verwendete Struktur ist nur 0,5 Millimeter lang und der Kanal, durch den die Elektronen beschleunigt werden, ist nur etwa 225 Nanometer breit. Damit sind diese Beschleuniger so klein wie Computerchips.
Die Teilchen werden durch ultrakurze Laserpulse beschleunigt, die die Nanostrukturen beleuchten. „Unsere Traumanwendung wäre die Montage eines Teilchenbeschleunigers an einem Endoskop, um die Strahlentherapie direkt an betroffene Körperteile abgeben zu können“, erklärt Dr. Tomáš Chlouba, einer der vier Hauptautoren der kürzlich veröffentlichten Arbeit.
Dieser Traum könnte für das FAU-Team vom Fachbereich Laserphysik unter der Leitung von Professor Peter Hommelhoff und bestehend aus Dr. Tomáš Chlouba, Dr. Roy Shiloh, Stefanie Kraus, Leon Brückner und Julian Litzel, doch ihnen ist nun mit der Demonstration eines nanophotonischen Elektronenbeschleunigers ein entscheidender Schritt in die richtige Richtung gelungen. Dr. Roy Shiloh sagte aufgeregt: „Zum ersten Mal können wir tatsächlich einen Teilchenbeschleuniger auf einem Chip implementieren.“
Geführte Elektronen + Beschleunigung = Teilchenbeschleuniger
Vor etwas mehr als zwei Jahren gelang dem Forscherteam der erste große Durchbruch: Sie nutzten erfolgreich die Methode der alternierenden Phasenfokussierung (APF) aus der frühen Beschleunigungstheorie, um den Elektronenfluss über große Entfernungen in einem Vakuumkanal zu steuern. Dies ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zum Bau von Teilchenbeschleunigern. Jetzt brauchen Sie nur noch Beschleunigung, um viel Leistung zu erzielen.
„Mit dieser Technik ist es uns nun gelungen, Elektronen in diesen bis zu einem halben Millimeter langen nanogefertigten Strukturen nicht nur zu leiten, sondern auch zu beschleunigen“, erklärt Stephanie Kraus. „Das hört sich für viele vielleicht nicht nach einer großen Leistung an, aber es ist ein großer Erfolg auf dem Gebiet der Beschleunigerphysik, und wir erreichen Energien von 12 Kiloelektronenvolt“, erklärt Leon Brückner.
Um Teilchen auf so große Entfernungen (ab dem Nanometerbereich) zu beschleunigen, kombinierten Physiker der FAU die APF-Methode mit einer speziell entwickelten Zylindergeometrie.
Diese Demonstration ist jedoch nur der Anfang. Ziel ist es nun, die Energie- und Elektronenstromverstärkung so zu steigern, dass On-Chip-Teilchenbeschleuniger für medizinische Anwendungen ausreichen. Dazu muss der Energiegewinn etwa um den Faktor 100 gesteigert werden. Tomáš Chlouba erklärt, wie es für FAU-Laserphysiker weitergeht.
Die Forschungsergebnisse der Erlanger Laserphysiker wurden fast zeitgleich von ihren Kollegen an der Stanford University in den USA präsentiert: Ihre Ergebnisse werden derzeit begutachtet, können aber in der Datenbank eingesehen werden. In einem von der Gordon and Betty Moore Foundation finanzierten Projekt arbeiten die beiden Teams zusammen, um einen „Beschleuniger auf einem Chip“ zu implementieren.
„Im Jahr 2015 hatte das von der FAU und Stanford geleitete ACHIP-Team eine Vision für einen revolutionären Ansatz für das Design von Teilchenbeschleunigern“, sagte Dr. Gary Greenberg von der Gordon and Betty Moore Foundation. „Wir freuen uns, dass unsere Unterstützung dazu beigetragen hat, diese Vision Wirklichkeit werden zu lassen.“