Elektronen werden beschleunigt, indem Laser in nanophotonische Hohlräume abgefeuert werden – Physics World

Laserbetriebene Teilchenbeschleuniger auf Siliziumchips wurden von zwei unabhängigen Forschungsgruppen entwickelt. Mit weiteren Verbesserungen könnten solche dielektrischen Laserbeschleuniger in der Medizin und Industrie zum Einsatz kommen – und sogar in Experimenten der Hochenergie-Teilchenphysik Anwendung finden.

Die Beschleunigung von Elektronen auf hohe Energien erfolgt normalerweise über große Entfernungen in großen und teuren Anlagen. Der Elektronenbeschleuniger als Herzstück des europäischen Röntgen-Freie-Elektronen-Lasers in Deutschland ist beispielsweise 3.4 km lang und der Stanford Linear Accelerator (SLAC) in Kalifornien war 3.2 km lang.

Dadurch ist der Einsatz von Elektronenbeschleunigern für praktische Anwendungen in Medizin und Industrie stark eingeschränkt. Größe und Kosten sind auch Faktoren in der beschleunigerbasierten Teilchenphysik, wo die Anlagen immer größer und teurer werden, je höher die Kollisionsenergien sind.

Surfer auf einer Welle

In herkömmlichen Beschleunigern beschleunigen Mikrowellenschwingungen elektrischer Felder in metallischen Hohlräumen Elektronen wie Surfer auf einer Wanderwelle. Der maximale Beschleunigungsgradient beträgt typischerweise einige Dutzend Megavolt pro Meter und wird durch das maximale elektrische Feld definiert, das zwischen metallischen Komponenten in einem Hohlraum bestehen kann.

„Niemand weiß genau, was an der [metallischen] Oberfläche passiert, und dies ist immer noch ein aktives Forschungsgebiet … aber wenn die Felder zu groß werden, wachsen so etwas wie winzige Pyramiden auf der Oberfläche, und dann spritzen Elektronen heraus und das Feld bricht einfach zusammen.“ “, sagt Peter Hommelhoff der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg in Deutschland.

Aufgrund der Kosten und technologischen Herausforderungen herkömmlicher Beschleuniger sind Forscher an der Entwicklung alternativer Beschleunigungsmethoden interessiert. In dieser neuesten Forschung werden die oszillierenden elektrischen Felder erzeugt, indem Laserimpulse in winzige optische Hohlräume aus Silizium-Nanostrukturen abgefeuert werden.

Hommelhoff sagt, es habe fast dreißig Jahre gedauert, bis Physiker erkannten, dass Elektronenbeschleunigung auch mithilfe von nanophotonischen Hohlräumen erreicht werden könne, die durch Licht mit optischer Frequenz angetrieben würden. Durch die Verwendung von optischem Licht lässt sich das Gerät verkleinern, da die Wellenlänge der Strahlung viel kürzer ist als die von Mikrowellen.

Kein Metall erforderlich

Hommelhoff weist auf einen weiteren wichtigen Vorteil dieses Ansatzes hin: „Wenn man diese Frequenzen mit Laserlicht antreibt, braucht man keine Metallstrukturen.“ Er fügt hinzu: „Es reicht aus, wenn Sie einfach normales Glas verwenden … und Sie können den gleichen Modus erzeugen, den Sie mit Mikrowellenhohlräumen und Mikrowellenfeldern erzeugen können.“

Da der Hohlraum ein Isolator ist, treten an Punkten der Oberfläche keine hohen Ladungskonzentrationen auf. Die einzige Grenze für den Beschleunigungsgradienten ist daher das elektrische Durchschlagsfeld des Materials.

Im Prinzip ermöglicht dies die nanophotonische Integration eines Teilchenbeschleunigers, wodurch Elektronenpakete in einer winzigen, präzise fokussierten Strahllinie erzeugt werden. Es gibt jedoch praktische Herausforderungen. Die Elektronen in jedem Bündel stoßen sich gegenseitig ab und um ein Bündel zusammenzuhalten, ist eine Fokussierung durch äußere Kräfte erforderlich. Darüber hinaus führt die Kompression eines Bündels in eine Richtung dazu, dass es sich in andere Richtungen ausbreitet.

Abstoßungsproblem

In früheren Arbeiten haben Forscher wie Hommelhoff und Olav Solgaard von der Stanford University in Kalifornien haben gezeigt, dass dieses Abstoßungsproblem durch alternierende Phasenfokussierung gemildert werden kann. Bei dieser Technik werden Elektronen abwechselnd in die eine und dann in die andere Richtung eingesperrt, wodurch eine oszillierende Feldverteilung entsteht.

Nun wurden von zwei unabhängigen Forschungsgruppen neue Arbeiten an diesen Beschleunigern durchgeführt. Einer wurde von Hommelhoff an der Friedrich-Alexander-Universität geleitet. Die andere Gruppe war eine Zusammenarbeit zwischen Stanford-Wissenschaftlern unter der Leitung von Solgaard und Forschern der TU Darmstadt in Deutschland unter der Leitung von Uwe Niedermeyer. Beide Teams entwickelten nanophotonische dielektrische Laserbeschleuniger, die die Energie von Elektronenbündeln steigerten, ohne dass diese aufbrachen. Das Team um Solgaard und Niedermeyer stellte zwei Beschleuniger her – einen in Stanford und einen an der TU Darmstadt. Ein Beschleuniger steigerte die Energie von 96-keV-Elektronen über eine Distanz von nur 25 μm um 708 %. Das ist etwa zehnmal so dick wie ein menschliches Haar.

„Ich glaube, ich habe mehr Kraft auf ein Elektron ausgeübt als irgendjemand sonst“, sagt Solgaard.

Das Gerät der Hommelhoff-Gruppe arbeitete bei niedrigeren Energien und beschleunigte Elektronen von 28.4 keV auf 40.7 keV über 500 μm. Das stellte seine eigenen Herausforderungen dar, wie Hommelhoff erklärt. „Wenn man Elektronen beschleunigen möchte, die nicht relativistisch sind – in unserem Fall bewegen sie sich nur mit einem Drittel der Lichtgeschwindigkeit – ist es nicht so einfach und weniger effizient, den optischen Modus zu erzeugen, der sich gemeinsam mit den Elektronen ausbreitet.“

Höhere Aufschlüsselungsfelder

Die Forscher wollen nun noch höhere Feldgradienten erreichen, indem sie Geräte aus Materialien mit höheren Durchbruchfeldern als Silizium herstellen. Sie glauben, dass ihre Beschleunigungssysteme in naher Zukunft Anwendung in der medizinischen Bildgebung und bei der Suche nach dunkler Materie finden könnten.

Neuer Teilchenbeschleuniger wird von gekrümmten Laserstrahlen angetrieben

Solgaard sagt, dass er „möglicherweise zu einer sehr kleinen Minderheit gehört, die denkt, dass dies eine Rolle in der Hochenergiephysik spielen wird“, aber dass die Technologie in Materialien wie Quarz anwendbar sein sollte, dessen Durchschlagsfeld fast 1000-mal so groß ist wie das eines herkömmlichen Beschleuniger. „Unser Millimeter wird zum Meter“, sagt er; „Wenn wir einen Zähler erreichen, sollten wir in der Energie mit SLAC mithalten … Denken Sie darüber nach, in meinem Büro einen Beschleuniger zu haben, der mit SLAC mithalten kann.“

„Ich denke, diese [zwei Teams] haben einen wichtigen neuen Schritt hin zu einem echten Beschleuniger auf einem Chip demonstriert“, sagt der Beschleunigerwissenschaftler Carsten Walsch der University of Liverpool im Vereinigten Königreich. Allerdings weist er darauf hin, dass hinsichtlich der Strahlsteuerung und der Miniaturdiagnostik noch viel zu tun bleibt. In Bezug auf Anwendungen sagt er: „Ich teile ihren Optimismus für katheterähnliche medizinische Anwendungen, um Elektronen dorthin zu bringen, wo sie benötigt werden, und insbesondere für Mini-Lichtquellen, bei denen ich persönlich das größte Potenzial sehe.“ Die Kombination eines hochwertigen Elektronenstrahls und Lichts könnte wirklich völlig neue Forschungsmöglichkeiten und Anwendungen eröffnen.“

Allerdings ist Welsch von Anwendungen wie Teilchenbeschleunigern weiterhin nicht überzeugt und verweist auf die erforderliche hohe Leuchtkraft und Strahlqualität, die in solchen Maschinen erforderlich sind. „Der nächste Large Hadron Collider wird kein dielektrischer Laserbeschleuniger sein“, schließt er.

Hommelhoff und Kollegen beschreiben ihre Arbeit in Natur. Solgaard, Niedermeyer und Kollegen beschreiben ihre Arbeit an arXiv.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/electrons-accelerated-by-firing-lasers-into-nanophotonic-cavities/