Ein neuer Weg zur Hochgeschwindigkeits-Elektronensteuerung

Das Tata Institute of Fundamental Research in Mumbai hat in Zusammenarbeit mit der Australian National University in Canberra eine neuartige Methode zur Steuerung eines Strahls relativistischer Elektronenimpulse demonstriert, die von einem Femtosekundenlaser mit ultrahoher Intensität erzeugt werden. Ihr Studium ist veröffentlicht im Tagebuch Rezensionen zu Laser und Photonik.

Strahlen hochenergetischer Elektronen sind für die Grundlagenforschung und unzählige Anwendungen und Technologien von entscheidender Bedeutung, beispielsweise für Bildgebung, Halbleiterlithographie, Materialwissenschaften und medizinische Therapien. Typischerweise werden solche Strahlen von Beschleunigern abgeleitet – komplexen, teuren Geräten in großer Größe und mit hochentwickelten Hochleistungs-Elektrik- und Steuerungssystemen. Und jedes ist auf den Betrieb in einem bestimmten Energie- und Strömungsregime ausgerichtet, das sich nur sehr schwer nach Belieben ändern lässt.

Hochintensive Femtosekundenlaserpulse haben Elektronen auf sehr hohe Energien gebracht, die Millionen und Milliarden Elektronenvolt über Längenskalen erreichen, die 100–1.000 Mal kürzer sind als herkömmliche Beschleunigerlängen, was eine Revolution in der Verdichtung und Kontrolle verspricht. Ein großer Teil dieses Fortschritts wurde mit gasförmigen Plasmatargets erzielt, und der Strahl der Elektronen erfolgt typischerweise entlang der Richtung des Lasers selbst.

Daher ist es unerlässlich, Möglichkeiten zu finden, Elektronen mit größeren Flüssen zu erreichen, beispielsweise mithilfe eines festen Targets, und gleichzeitig ihre Richtung zu kontrollieren. Bei planaren Festkörpern steuern die Einfallsrichtung und Polarisation des Lasers die Energien und die Emissionsrichtung der Elektronen. Die Strahlen sind in ihrer Winkelausbreitung recht breit und werden bei höheren Laserintensitäten noch breiter. Ihre Richtung zu ändern oder einen schmalen Strahl zu bilden, sind äußerst schwierige Herausforderungen.

Genau hier setzt der vorliegende Fortschritt an: Mithilfe eines Festkörpers, dessen Oberfläche mit Nanosäulen dekoriert ist, treiben die Autoren MeV-Energieimpulse von Elektronen an und lenken sie durch Anpassung des Lasereinfallswinkels in schmale Strahlen. Die Nanostruktur verstärkt die lokalen elektrischen Felder und sorgt für eine höhere Beschleunigung als planare Oberflächen, während eine kluge Wahl des Einfallswinkels und -abstands die Elektronenimpulse in die gewünschte Richtung lenken kann. Ein toller Bonus: Simulationen zeigen, dass die Elektronenpulse eine Dauer von Attosekunden haben.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass geordnete Nanoschritte Elektronen nicht nur einen kräftigen Stoß versetzen, sondern sie auch zeitlich eng bündeln und ihnen befehlen können, sich in bestimmte Richtungen zu bewegen. Die Autoren nennen dies „Plasma-Nanophotonik“ und stellen eine Analogie zu einer Reihe von Antennen her, die im richtigen Abstand gerichtete, kohärente elektromagnetische Strahlung aussenden.