Miniatur-Teilchenbeschleuniger Der wohl kleinste Beschleunigungsstreifen für Elektronen

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Teilchenbeschleuniger kennen wir aus Forschungsanlagen wie dem CERN in der Schweiz oder Großgeräten zur medizinischen Bildgebung – geht das auch im Mikrochip-Format? Laserphysiker der Universität Erlangen-Nürnberg haben mit einem Demonstrator den Weg bereitet für winzige Beschleuniger, die sogar auf einem Endoskop platziert werden können.

Wenn man „Teilchenbeschleuniger“ hört, denken die meisten wahrscheinlich an den Large Hadron Collider (LHC) in Genf, den rund 27 Kilometer langen ringförmigen Tunnel, den Wissenschaftler aus aller Welt zur Erforschung unbekannter Elementarteilchen nutzen. Solche riesigen Teilchenbeschleuniger sind jedoch die Ausnahme. Uns begegnen diese Geräte tatsächlich an vielen Stellen in unserem Leben, etwa beim Facharzt bei medizinischen Bildgebungsverfahren oder der Strahlenbehandlung von Tumoren. Aber auch dort sind diese Geräte typischerweise mehrere Meter groß und recht sperrig, ihre Leistung ist verbesserungswürdig.

Um die bestehenden Geräte zu verbessern und zu verkleinern, arbeiten Physiker rund um den Globus an dielektrischen Laserbeschleunigern, die auch als nanophotonische Beschleuniger bezeichnet werden. Die verwendeten Strukturen sind nur 0,5 Millimeter lang, und der Kanal, durch den die Elektronen beschleunigt werden, ist nur etwa 225 Nanometer breit, sodass diese Beschleuniger so klein wie ein Computerchip sind. An solch einer Entwicklung hat auch ein Team an der Friedrich-Alexander-Universität (FAU) Erlangen-Nürnberg mitgewirkt.

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Der erste Teilchenbeschleuniger auf einem Chip

In dem winzigen Gerät werden Teilchen durch ultrakurze Laserpulse beschleunigt, welche die Nanostrukturen beleuchten. „Die Traumanwendung wäre, einen Teilchenbeschleuniger auf einem Endoskop zu platzieren, um eine Strahlentherapie direkt an der betroffenen Stelle im Körper durchführen zu können“, sagt Dr. Tomáš Chlouba, einer der vier Erstautoren der kürzlich veröffentlichten Arbeit. Dieser Traum mag für das FAU-Team vom Lehrstuhl für Laserphysik unter der Leitung von Prof. Dr. Peter Hommelhoff noch in weiter Ferne liegen, doch mit der Demonstration des nanophotonischen Elektronenbeschleunigers ist ihnen nun ein entscheidender Schritt in die richtige Richtung gelungen. „Zum ersten Mal können wir wirklich von einem Teilchenbeschleuniger auf einem Chip sprechen“, freut sich Dr. Roy Shiloh aus dem FAU-Team.

Elektronenrennen auf einem halben Millimeter

Vor etwas mehr als zwei Jahren erzielte die Forschergruppe den ersten Durchbruch: Es gelang ihnen, die Methode der alternierenden Phasenfokussierung (APF) aus den Anfängen der Beschleunigungstheorie zu nutzen, um den Strom der Elektronen in einem Vakuumkanal über lange Strecken zu steuern. Dies war der erste große Schritt auf dem Weg zum Bau eines kleinen Teilchenbeschleunigers. Nun musste nur noch die Beschleunigung erfolgen, um große Energiemengen zu gewinnen. „Mit dieser Technik ist es uns nun gelungen, Elektronen in diesen nanofabrizierten Strukturen auf einer Länge von einem halben Millimeter nicht nur zu leiten, sondern auch zu beschleunigen“, erklärt Stefanie Kraus, ebenfalls aus der Arbeitsgruppe von Laserphysiker Hommelhoff.

Für die Beschleunigerphysik ist die aktuelle Arbeit ein großer Erfolg. Die Laserphsysiker haben nach eigenen Angaben eine Energie von zwölf Kiloelektronenvolt erzielt, was einem Energiegewinn von 43 Prozent entspreche. Um die Teilchen in dem kleinen Demonstrator zu beschleunigen, kombinierten die FAU-Physiker die APF-Methode mit speziell entwickelten säulenförmigen Strukturen.

Ziel: Teilchenbeschleuniger für Medizinanwendungen entwickeln

Diese Demonstration ist jedoch erst der Anfang. Ziel ist es, den Energie- und Elektronenstromgewinn so weit zu steigern, dass der Teilchenbeschleuniger auf einem Chip für Anwendungen in der Medizin ausreicht. Dazu müsste der Energiegewinn um etwa 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 Erstautor Chlouba die nächsten Schritte.

Was den Erlanger Laserphysikern gelang, demonstrierten fast zeitgleich Kollegen der Stanford University in den USA: Ihre Ergebnisse werden derzeit geprüft, können aber in einem Repository eingesehen werden. Die beiden Teams arbeiten in einem von der Gordon and Betty Moore Foundation geförderten Projekt gemeinsam an der Realisierung des „Beschleunigers auf einem Chip“.

Original FAU-Publikation: Chlouba, T., Shiloh, R., Kraus, S. et al.: Coherent nanophotonic electron accelerator, Nature 622, 476–480 (2023); DOI: 10.1038/s41586-023-06602-7

Original Stanford-Publikation (in Prüfung): P. Broaddus, T. Egenolf, D. S. Black, M. Murillo, C. Woodahl, Yu Miao, U. Niedermayer, R. L. Byer, K. J. Leedle, O. Solgaard: Sub-relativistic Alternating Phase Focusing Dielectric Laser Accelerators, Submitted on 3 Oct 2023; arXiv: 2310.02434

(ID:49757385)