Wenn ultraschnelle Elektronen abgelenkt werden, senden sie Licht aus – Synchrotronstrahlung. Diese wird in sogenannten Speicherringen genutzt, in denen Magnete die Teilchen auf eine geschlossene Bahn zwingen. Dieses Licht ist longitudinal inkohärent und besteht aus einem breiten Spektrum von Wellenlängen.
Seine hohe Brillanz macht es zu einem hervorragenden Werkzeug für die Materialforschung. Mit Monochromatoren lassen sich zwar einzelne Wellenlängen aus dem Spektrum herausfiltern, die Strahlungsleistung verringert sich dabei allerdings um viele Größenordnungen auf Werte von nur noch wenigen Watt.
Was aber wäre, wenn ein Speicherring stattdessen monochromatisches, kohärentes Licht mit Leistungen von mehreren Kilowatt liefern könnte, analog zu einem Hochleistungslaser? Der Physiker Alexander Chao und sein Doktorand Daniel Ratner fanden 2010 eine Antwort auf diese Herausforderung: Werden die in einem Speicherring umlaufenden Elektronenpakete kürzer als die Wellenlänge des von ihnen emittierten Lichts, wird die emittierte Strahlung kohärent und damit millionenfach stärker.
„Man muss wissen, dass die Elektronen in einem Speicherring nicht homogen verteilt sind“, erklärt Arnold Kruschinski, Doktorand am HZB und Erstautor der Studie. „Sie bewegen sich in Bündeln mit einer typischen Länge von etwa einem Zentimeter und einem Abstand von etwa 60 Zentimetern. Das sind sechs Größenordnungen mehr als die von Chao vorgeschlagenen Mikrobündel.“
Der chinesische Theoretiker Xiujie Deng hat für das Steady-State Micro-Bunching-Projekt (SSMB) eine Reihe von Einstellungen für einen bestimmten Typ von Kreisbeschleunigern, die Isochronen- oder „Low-Alpha“-Ringe, definiert. Nach der Interaktion mit einem Laser erzeugen diese kurze Partikelpakete, die nur einen Mikrometer lang sind.
Dass dies funktioniert, hat das Forschungsteam von HZB, Tsinghua University und PTB bereits 2021 in einem Proof-of-Principle-Experiment gezeigt. Dabei nutzten sie die Metrology Light Source (MLS) in Adlershof – den ersten Speicherring, der überhaupt für den Low-Alpha-Betrieb ausgelegt wurde. In umfangreichen Experimenten konnte das Team nun Dengs Theorie zur Erzeugung von Mikro-Bunches vollständig verifizieren. „Für uns ist das ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu einer neuen Art von SSMB-Strahlungsquelle“, sagt Kruschinski.
Bis dahin werde es allerdings noch einige Zeit dauern, ist sich HZB-Projektleiter Jörg Feikes sicher. Er sieht einige Parallelen zwischen der SSMB und der Entwicklung von Freie-Elektronen-Lasern.
„Nach anfänglichen Experimenten und jahrzehntelanger Entwicklungsarbeit wurde aus dieser Idee ein kilometerlanger, supraleitender Beschleuniger“, sagt er. „Solche Entwicklungen sind sehr langfristig. Es beginnt mit einer Idee, dann einer Theorie, und dann gibt es Experimentatoren, die das nach und nach in die Tat umsetzen, und ich denke, dass sich SSMB auf die gleiche Weise entwickeln wird.“
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Arnold Kruschinski et al., Bestätigung der theoretischen Grundlagen der stationären Mikrobündelung, Nachrichtenphysik (2024). DOI: 10.1038/s42005-024-01657-y