Elektronenkanone in der Streichholzschachtel

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Bessere Einblicke in die Photosynthese – fundamentale Wechselwirkungsprozesse in Festkörpern besser verstehen

„Unsere Quelle besitzt einen nanometer-dünnen Kupferfilm, aus dem ultraviolette Strahlungsblitze kompakte Elektronenwolken herausschlagen“, erläutert Huang. „Eine maßgeschneiderte Mikrostruktur kanalisiert die eingespeiste Terahertz-Laserstrahlung dann so, dass sie die maximale Wirkung auf die Elektronen entfaltet.“ Auf diese Weise erreicht die Quelle einen Beschleunigungsgradienten von 350 Megavolt pro Meter. „Das Beschleunigungsfeld ist fast doppelt so stark wie bei den modernsten konventionellen Quellen“, sagt Huang. „Wir konnten kompakte Pakete von je 250.000 Elektronen von 0 auf 500 Elektronenvolt beschleunigen, wobei die Energie der individuellen Teilchen kaum schwankt. Mit diesen Eigenschaften könnten die Elektronenstrahlen aus unserer Quelle bereits direkt für Untersuchungen mit Hilfe der niederenergetischen Elektronendiffraktion verwendet werden.“

Das CFEL verfügt über große Hochleistungslaser-Labore, in denen sich die nötige Laserstrahlung erzeugen lässt. In dem neuartigen Aufbau erzeugt derselbe Laser sowohl die ultravioletten Strahlungsblitze zur Freisetzung der Elektronenwolke als auch das Terahertz-Feld zur anschließenden Beschleunigung der Teilchen. „Das sorgt für eine zuverlässige Synchronisierung und reduziert so die zeitliche Fluktuation erheblich“, erläutert Huang. Die Quelle arbeitete in den Versuchen der Forscher über mindestens eine Milliarde Elektronenstrahlschüsse stabil.

„Elektronenquellen sind unverzichtbare Geräte, etwa um chemische Reaktionen mit Hilfe der ultraschnellen Elektronendiffraktion in atomarer Auflösung zu filmen – eine Technik, der vor allem die Gruppe von Prof. Dwayne Miller am Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie im CFEL den Weg bereitet“, sagt Kärtner. „Mit kleineren und besseren Elektronenquellen können etwa Biologen bessere Einblicke in die Funktion der makromolekularen Maschinerie in der Photosynthese bekommen, und Physiker können zum Beispiel die fundamentalen Wechselwirkungsprozesse in komplexen Festkörpern besser verstehen.“

„Darüber hinaus sind Elektronenquellen wichtige Komponenten von Röntgenlaser-Anlagen“, erläutert Kärtner. Am CFEL werde bereits an der nächsten Generation von Terahertz-Elektronenquellen gearbeitet. Diese nächste Generation von Elektronenquellen soll dann ultrakurze und ultrahelle Elektronenstrahlen mit noch höheren, sogenannten relativistischen Energien und nur zehn Femtosekunden (billiardstel Sekunden) Dauer produzieren. „Diese Geräte sollen als Photoinjektoren für kompakte Attosekunden-Röntgenlaser dienen, die im Rahmen des AXSIS-Programms entwickelt werden“, berichtet Kärtner. Eine Attosekunde ist eine tausendstel Femtosekunde. Mit Hilfe von Attosekunden-Röntgenlasern hoffen Forscher, ultraschnelle Prozesse in der Natur zu entschlüsseln, etwa die Dynamik der Lichtabsorption und des Elektronentransports in der Photosynthese.

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