Teilchenbeschleuniger spielen eine Schlüsselrolle in Industrie, Forschung und Medizin, nehmen aber oft enorme Räume ein. Eine neue Technik, die Laser nutzt, um Elektronen in photonischen Nanostrukturen zu beschleunigen, revolutioniert das Feld. Diese Technologie verspricht, die riesigen Maschinen zu schrumpfen und ihre Kosten drastisch zu senken.
„Teilchenbeschleuniger auf einem Chip“
Trotz ihrer Versprechen gab es bisher keine signifikanten Beweise für echte Energiegewinne durch diese Methode. Doch jetzt haben Forschende der Friedrich-Alexander-Universität (FAU) zusammen mit Kolleg*innen aus Stanford den ersten nanophotonischen Elektronenbeschleuniger der Welt vorgestellt. Ihre Entwicklung veröffentlichten sie im Rahmen einer neuen Studie in der Zeitschrift Nature.
Der Begriff „Teilchenbeschleuniger“ ruft oft Bilder des gigantischen Large Hadron Colliders (LHC) in Genf hervor. Doch in Wirklichkeit sind kleinere Versionen in der medizinischen Bildgebung und Krebstherapie allgegenwärtig, wenn auch sperrig und verbesserungswürdig. Hier setzen Physiker*innen aus aller Welt an: Sie entwickeln nanophotonische Beschleuniger, winzige Wunderwerke, die kaum größer als ein Computerchip sind.
Die Beschleunigung der Partikel erfolgt durch ultrakurze Laserpulse, die auf Nanostrukturen treffen. Dr. Tomáš Chlouba träumt davon, eines Tages einen Teilchenbeschleuniger in einem Endoskop zu integrieren, um direkte Strahlentherapie zu ermöglichen. Dieses Ziel mag fern erscheinen, doch das FAU-Team hat einen entscheidenden Durchbruch erzielt und einen „Teilchenbeschleuniger auf einem Chip“ geschaffen, erläutert Dr. Roy Shiloh.
Neue Erfolge dank alter Methode
Das Team hatte bereits einen Meilenstein erreicht, als es Elektronen über lange Distanzen lenken konnte. Jetzt haben sie es geschafft, diese auch zu beschleunigen. „Wir haben eine Energie von 12 Kilo-Elektronenvolt erreicht, das ist eine Steigerung um 43 Prozent“, sagt Leon Brückner. In der Welt der Beschleunigerphysik stellt das einen riesigen Erfolg dar.
Für die Beschleunigung über solche Distanzen kombinierten die FAU-Forschenden die Methode der alternierenden Phasenfokussierung (APF) mit einzigartig geformten Strukturen. Doch das ist nur der Anfang. Das Team plant nun, die Energie- und Elektronenausbeute zu steigern, um den Beschleuniger für die Medizin nutzbar zu machen. Dafür ist eine hundertfache Energieerhöhung notwendig, was eine Erweiterung der Strukturen oder mehrere parallele Kanäle erfordert.
Quelle: „Coherent nanophotonic electron accelerator“ (Nature, 2023); Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
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