Petawatt geknackt: Physiker erzeugen ultrastarke Elektronenpulse
Physiker haben es geschafft, die bisher stärksten Elektronenpulse zu generieren. Diese bringen es auf eine Leistung im Petawatt-Bereich. Mit solchen Energiemengen können neue Anwendungen erschlossen werden - beispielsweise zur Erzeugung neuer Materialien.
Die Forscher nutzten dabei eine innovative Technik zur Komprimierung der Elektronenbündel. In einem Teil des 62 Jahre alten Linearbeschleunigers von SLAC wurden Elektronen erzeugt und beschleunigt. Durch eine sogenannte "Chirp"-Technik erhielten Elektronen an der Vorderseite des Pulses etwas weniger Energie als jene am hinteren Ende. Dieses Energiedifferenzial wurde genutzt, um das Bündel mithilfe magnetischer Ablenkungen zu verdichten. So holten die schnelleren Elektronen die langsameren ein, wodurch ein extrem kurzes und leistungsstarkes Bündel entstand.
Ein entscheidender Fortschritt war die zusätzliche Modulation des Energieprofils durch einen Laserpuls. Dabei wurden die Elektronen in einem Magnetfeld seitlich abgelenkt und tauschten Energie mit dem Licht aus. Durch eine sorgfältige Abstimmung des Laserpulses konnte das Team die Pulsdauer weiter verkürzen und die Leistungsdichte erhöhen.
Langfristig sollen solche Elektronenpulse sogar dazu beitragen, das Quanten-Vakuum zu untersuchen. Wenn ein ultraintensiver Elektronenstrahl mit einem extrem starken Laser kollidiert, könnte er so starke elektrische Felder erzeugen, dass Paarbildungen aus Teilchen und Antiteilchen aus dem Vakuum entstehen - ein Effekt, der von der Quantenphysik vorhergesagt, aber noch nie experimentell beobachtet wurde. Aber auch in der Praxis der Materialforschung lassen sich Fortschritte erahnen.
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Gestauchte Strahlen
Ein neues Paper, das in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht wurde, beschreibt die Erzeugung von Elektronenpulsen, die nur eine Billiardstel Sekunde andauern, aber Ströme von 100 Kiloampere tragen. "Wir haben den höchsten Strom und die höchste Spitzenleistung, die je für Elektronenstrahlen erzeugt wurden", erklärt Claudio Emma, Leiter des Forschungsprojektes am SLAC National Accelerator Laboratory.Die Forscher nutzten dabei eine innovative Technik zur Komprimierung der Elektronenbündel. In einem Teil des 62 Jahre alten Linearbeschleunigers von SLAC wurden Elektronen erzeugt und beschleunigt. Durch eine sogenannte "Chirp"-Technik erhielten Elektronen an der Vorderseite des Pulses etwas weniger Energie als jene am hinteren Ende. Dieses Energiedifferenzial wurde genutzt, um das Bündel mithilfe magnetischer Ablenkungen zu verdichten. So holten die schnelleren Elektronen die langsameren ein, wodurch ein extrem kurzes und leistungsstarkes Bündel entstand.
Ein entscheidender Fortschritt war die zusätzliche Modulation des Energieprofils durch einen Laserpuls. Dabei wurden die Elektronen in einem Magnetfeld seitlich abgelenkt und tauschten Energie mit dem Licht aus. Durch eine sorgfältige Abstimmung des Laserpulses konnte das Team die Pulsdauer weiter verkürzen und die Leistungsdichte erhöhen.
Viele Möglichkeiten
Die erzeugten ultrastarken Elektronenpulse könnten zu bahnbrechenden Anwendungen führen. In der Röntgenlaserforschung lassen sie sich beispielsweise nutzen, um intensivere Strahlen für die Untersuchung chemischer Reaktionen in Echtzeit zu erzeugen. Weiterhin könnten sie in der Plasmaphysik eingesetzt werden, um astrophysikalische Phänomene wie die superschnellen Materiestrahlen bei Supernova-Explosionen zu simulieren.Langfristig sollen solche Elektronenpulse sogar dazu beitragen, das Quanten-Vakuum zu untersuchen. Wenn ein ultraintensiver Elektronenstrahl mit einem extrem starken Laser kollidiert, könnte er so starke elektrische Felder erzeugen, dass Paarbildungen aus Teilchen und Antiteilchen aus dem Vakuum entstehen - ein Effekt, der von der Quantenphysik vorhergesagt, aber noch nie experimentell beobachtet wurde. Aber auch in der Praxis der Materialforschung lassen sich Fortschritte erahnen.
Zusammenfassung
- Physiker erzeugen Elektronenpulse mit Petawatt-Leistung und 100 kA
- Innovative Komprimierungstechnik mit 'Chirp' und Lasermodulation
- Extrem kurze Pulsdauer von einer Billiardstel Sekunde erreicht
- Anwendungen in Röntgenlaserforschung und Plasmaphysik möglich
- Potenzial zur Untersuchung des Quanten-Vakuums und Paarbildung
- Fortschritte in der Materialforschung werden durch Technologie erwartet
- Forschungsergebnisse in Physical Review Letters veröffentlicht
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