Kompakter Laserbeschleuniger erzeugt in Computermodellen helles Röntgenlicht im Wasserfenster
Simulationen zeigen, dass Plasma-Wakefields kilometerlange Teilchenbeschleuniger für die biologische Bildgebung ersetzen können.
Automatisch aus dem englischen Original übersetzt Original lesen
Physiker haben gezeigt, dass ein tischgroßer Laser-Plasma-Beschleuniger helle, kohärente weiche Röntgenpulse erzeugen kann, die sich zur Beobachtung lebender Zellen eignen. Die technologische Innovation, beschrieben in Nature Communications von Forschenden aus Deutschland, Schottland und Tschechien, erzeugt Pulse im Wellenlängenbereich des Wasserfensters mit einem nur wenige Meter messenden Aufbau.
Den Beschleuniger auf Laborgröße schrumpfen
Herkömmliche Freie-Elektronen-Laser benötigen konventionelle Elektronenbeschleuniger, die sich über mehrere Kilometer erstrecken, um Strahlen hoher Intensität zu erzeugen. Laut einer in Nature Communications veröffentlichten Studie hat ein Forschungsteam der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf, der University of Strathclyde und der Einrichtung ELI Beamlines durch eine bemerkenswerte wissenschaftliche Innovation eine alternative Methode gefunden. Indem kilometrelange Tunnel durch lasergetriebene Plasmawellen ersetzt wurden, gelang es dem Team, relativistische Elektronenenergien auf nur wenigen Zentimetern zu erreichen.
„Ob eine solche Strahlungsquelle als Freie-Elektronen-Laser funktionieren kann, hängt vor allem von der Qualität der Elektronenstrahlen ab.“
— Dr. Fahim Habib, Principal Investigator an der ELI-Forschungseinrichtung
Blick durch das biologische Wasserfenster
Die Simulation zielt auf weiche Röntgenstrahlung mit Wellenlängen zwischen 2,3 und 4,4 Nanometern, einen in der Physik als Wasserfenster bekannten Bereich. Bei diesen spezifischen Wellenlängen bleibt Wasser transparent, während Elemente wie Stickstoff und Kohlenstoff die Strahlung stark absorbieren. Dadurch können Forschende biologische Proben in natürlichen flüssigen Lösungen abbilden, ohne sie zu schädigen oder künstlich anzufärben. Erstautorin Lily Berman, Doktorandin in Hiddings Arbeitsgruppe an der University of Strathclyde, stellte fest, dass neuartige Elektronenpulse in magnetischen Undulatoren auf einer Strecke von nur wenigen Metern intensive Röntgenblitze erzeugen können.
Plasma-Wakefields und magnetische Undulatoren
Der Aufbau stützt sich auf den ARCTURUS-Laser in Düsseldorf, wo grüne Pumppulse Titansaphir-Kristalle speisen, die hochintensives Nahinfrarotlicht in ein Gas abgeben. Dieses Licht löst ein Plasma-Photokathoden-Wakefield aus, das Elektronen rasch sammelt und beschleunigt. Die beschleunigten Teilchenpakete gelangen anschließend in einen magnetischen Undulator: eine Anordnung abwechselnder Dipolmagnete, die die Teilchen auf eine sinusförmige Bahn zwingt. Während die Elektronen schwingen, senden sie Strahlung aus, die nachfolgende Teilchen zu synchronisierten Paketen bündelt und damit einen Lawineneffekt auslöst, wie er für einen Freie-Elektronen-Laser typisch ist. Die Forschung ist ein möglicher Schritt nach vorn für den Technologietransfer: Die Röntgenspektroskopie verlässt die nationalen Synchrotronanlagen und zieht in Universitätslabore ein.
Auf dem Weg zum experimentellen Prototyp
Die numerischen Simulationen bestätigen zwar, dass das hybride Laser-Plasma-System robust und flexibel ist, doch die praktische Umsetzung bleibt der nächste Meilenstein. Dr. Fahim Habib, Principal Investigator bei ELI Beamlines in Dolní Břežany, erklärte, die Strahlqualität entscheide darüber, ob der Aufbau als echter Freie-Elektronen-Laser funktioniert. Das multinationale Team will seine Erfindung validieren, indem es in naher Zukunft einen physischen Laborprototyp für experimentelle Tests baut.
Lesen Sie auch bei The Patent: Quanten-Skyrmionen auf einem Chip überleben den Zusammenbruch der Photonenverschränkung · Kolloidales Anti-Spin-Eis mit rotierenden Magnetfeldern erzeugt
