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Der Lehrstuhl für Laserphysik baut einen Mini-Teilchenbeschleuniger

Der Laser. Foto: Lisa Wolf

Der Laser. Foto: Lisa Wolf

Das benötigt man:

Einen Laser (ca. 60.000 – 200.000 Euro / Stück)
Diverse Spiegel
Einen Elektronenstrahl (z. B. Elektronenmikroskop als Quelle)
Einen Mikrochip aus Silizium mit strukturiertem Nanogitter (alternativ aus Glas, ist aber schwerer zu bearbeiten)

So geht’s:

Zunächst in einem Reinraum die Gitterstruktur auf der Silizium-Oberfläche erstellen. Danach in einem Optiklabor den Laser starten. Durch die geschickte Kombination diverser Spiegel das Laserlicht in die für die Beschleunigung ideal geeignete Form bringen und schließlich in die „Black Box“ leiten. In diesem ominösen Vakuum-Gefäß geschieht die Magie. Hier den Laser- mit dem Elektronenstrahl auf dem zuvor präparierten Nanogitter kreuzen. Wenn man alles richtig gemacht hat, werden die Elektronen in dem Mikrochip beschleunigt.

Ok, ganz so einfach ist es dann doch nicht einen Mini-Teilchenbeschleuniger zu entwickeln. Nicht umsonst beschäftigt sich ein internationales Forscherteam unter Federführung des Lehrstuhls für Laserphysik der FAU und der Stanford University mit dem Projekt, das mit insgesamt 13,5 Mio. Dollar Forschungsgeld gefördert wird, von dem 2,4 Mio nach Erlangen gehen. Das Projekt vereint die Forschungsgebiete der Optik, Festkörperphysik und Nanotechnologie. Im Folgenden will ich in meinen Worten so simpel wie möglich wiedergeben, wie mir Prof. Hommelhoff, Inhaber des Lehrstuhls für Laserphysik, die Grundlagen des Projekts erklärte:

Spaß bei der Arbeit: Johannes Illmer, Bachelorand; Norbert Schönenberger, B.Sc., Masterand; Dr. Martin Kozák, Postdoc und Prof. Dr. Peter Hommelhoff (v. l.). Foto: Lisa Wolf

Spaß bei der Arbeit: Johannes Illmer, Bachelorand; Norbert Schönenberger, B.Sc., Masterand; Dr. Martin Kozák, Postdoc und Prof. Dr. Peter Hommelhoff (v. l.). Foto: Lisa Wolf

Wie das Beschleunigen der Elektronen auf dem Mikrochip funktioniert.

Die Elektronen werden an dem Nanogitter auf dem Chip entlanggeschossen. Den Elektronenstrahl kann man sich dabei wie Murmeln vorstellen, die man entlang einer geraden Linie schieben möchte. Von der Seite werden kurze intensive Laserpulse auf die Elektronen fokussiert, wodurch diese beschleunigt werden. Das Laserlicht am Nanogitter wirkt dabei wie ein Lineal, mit dem man die Murmeln entlang der Gitteroberfläche schieben kann. Einen gepulsten Laserstrahl wiederum kann man sich wie eine Aneinanderreihung von Pfannkuchen vorstellen; die Folge von ganz kleinen, unglaublich schnellen Lichtpulsen mit einer Dauer von ca. 10 bis 15 Femtosekunden (was einem Millionstel einer milliardstel Sekunde entspricht).

Wofür man eigentlich Teilchenbeschleuniger braucht.

Generell gibt es drei Arten von Teilchenbeschleunigern. Die bekanntesten sind die sehr großen der Hochenergiephysik, zu denen der Teilchenbeschleuniger der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN) Nahe Genf in der Schweiz und der des Deutschen Elektronen-Synchroton (DESY) in Hamburg gehören. Der weltweit größte Beschleuniger, der Large Hadron Collider (LHC) am CERN, ist ein riesiger Ring mit 8,6 km Durchmesser. Mit Hilfe von diesem lässt sich beispielsweise das Higgs-Teilchen nachweisen oder neue Teilchen kreieren. Dann gibt es welche, die Elektronen auf relativ hohe, aber nicht ganz so hohe Geschwindigkeit beschleunigen. Zu diesen zählen die Freie-Elektronen-Laser (FEL) sowie vielleicht irgendwann der beschriebene Mini-Teilchenbeschleuniger. Hiermit lassen sich beispielsweise moderne Materialien wie Biomoleküle charakterisieren. Schließlich gibt es noch medizinische Teilchenbeschleuniger, die z. B. zu Diagnosezwecken oder in der Bestrahlung von Krebstumoren eingesetzt werden. Die Universitätsklinik Heidelberg hat kürzlich einen traditionellen Beschleuniger aufgestellt, der ein 25 Meter großes Gerüst benötigt und mit 670 Tonnen nicht gerade mobil ist.

In diesem Vakuum-Gefäß kreuzen sich Laser- und Elektronenstrahl und die Elektronen werden auf dem Mikrochip beschleunigt. Foto: Lisa Wolf

In diesem Vakuum-Gefäß kreuzen sich Laser- und Elektronenstrahl und die Elektronen werden auf dem Mikrochip beschleunigt. Foto: Lisa Wolf

Was der Vorteil von einem Mini-Teilchenbeschleuniger ist.

Große Teilchenbeschleuniger wie von DESY oder CERN sind so teuer, dass es nur einen einzigen davon gibt. Dort muss man einen Antrag auf Strahlzeit stellen und hat dann oft nur ein paar Stunden Zeit um etwas zu vermessen. Kleinere lasergestützte Beschleuniger sind viel günstiger. Das Ziel des Forscherteams ist es, Teilchenbeschleuniger einfacher zugänglich zu machen. Diese neue Generation von kompakten „Desktop-Beschleunigern“ könnte den Weg zu unvorhersehbaren Entdeckungen in der Physik, Biologie und Chemie bereiten. Zudem könnte man mit kleinen Teilchenbeschleunigern in der Medizin viel näher an den Patienten herankommen, was z. B. bei einer OP im Inneren des Bauches sehr sinnvoll sein kann. Eigentlich ist es wie bei der Entwicklung der Computer: Zunächst füllten sie ganze Räume und mittlerweile kann man sie am Handgelenk tragen.

Wie groß und teuer der Mini-Teilchenbeschleuniger werden wird.

Da es sich um echte Grundlagenforschung handelt, gibt es bisher noch nicht mal einen Prototypen. Daher wissen die Forscher bisher nicht, ob er so groß wie eine Streichholzschachtel, eine Schuhschachtel oder ein Umzugskarton werden wird. Der Beschleuniger-Mikrochip selbst ist gerade mal so groß wie zwei Reiskörner, die Nanostruktur auf diesem lässt sich aber nicht mit bloßem Auge sondern nur unter dem Mikroskop erkennen. Auch die Frage was der Mini-Teilchenbeschleuniger mal in der Serienfertigung kosten wird kann man noch nicht beantworten. Aber wichtig ist, dass er wesentlich kleiner und günstiger als herkömmliche Beschleuniger gebaut werden kann.

Mehr zum „teeny tiny accelerator“ gibts in der Ausgabe vom 19.10.2013 der britischen Wochenzeitschrift „The Economist“.

Lisa Wolf