Laserplasma

Einsteins Erben surfen auf der Plasmawelle

Von Manfred Lindinger
09.03.2005
, 10:32
Eine Platzfrage: Teilchen- beschleuniger in Hamburg
Trifft ein intensiver Lichtpuls auf ein Gas, so zerreißt er augenblicklich die Atome in ihre Bestandteile, und es entsteht ein heißes Plasma aus Ionen und Elektronen. Letztere reiten schließlich gewissermaßen wie Surfer auf der Plasmawelle.
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Vor den Toren der Humboldt-Universität und der Technischen Universität in Berlin bietet sich seit Freitag vergangener Woche ein nicht alltägliches Bild. Mehr als siebentausend Physiker aus 40 Nationen - darunter zahlreiche Nobelpreisträger - strömen zu mehr als sechstausend Vorträgen der bislang größten Fachkonferenz in Europa.

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Veranstalter ist die Deutsche Physikalische Gesellschaft, die unter dem Motto "Physik seit Einstein" dieses Mal alle Fachdisziplinen zur traditionellen Jahrestagung an einen Ort geladen hat. Das umfangreiche Tagungsprogramm läßt kein Gebiet der aktuellen physikalischen Forschung aus - vom Mikrokosmos der Elementarteilchen, Atome und Moleküle bis zur makroskopischen Welt der Werkstoffe, Planeten und Sterne. Man diskutiert über Perspektiven des Quantencomputers ebenso eifrig wie über die Chancen der Nanotechnik und lotet die Möglichkeit und Grenzen der derzeitigen Teilchenbeschleuniger aus.

Eine ganze Laborhalle ausfüllen

Großen Raum nimmt in Berlin die Plasmaphysik ein, die in den vergangenen Jahren durch die Entwicklung von Hochleistungslasern einen enormen Auftrieb erfahren hat. Die Geräte, die nicht selten eine ganze Laborhalle ausfüllen, erzeugen Licht, das "heller" ist als das Innere der Sterne, und liefern Blitze, deren Dauer vergleichbar ist mit der Zeitskala molekularer Vorgänge.

Im Zusammenspiel mit Gasen, Flüssigkeiten oder soliden Materialien bewirkt solches Laserlicht eine Fülle ungewöhnlicher Effekte und eröffnet eine Reihe überraschender Anwendungen, wie Viktor Malka von der Ecole Polytechnique in Palaiseau berichtete.

Elektronen als Wellenreiter

Trifft ein intensiver Lichtpuls auf ein Gas, so zerreißt er augenblicklich die Atome in ihre Bestandteile, und es entsteht ein heißes Plasma aus Ionen und Elektronen. Durch noch höhere Laserintensitäten - Malka verwendet typische Laserleistungen von einigen Billionen Watt (Terawatt), die er für extrem kurze Zeit auf einen winzigen Fleck konzentriert - werden die freigesetzten Elektronen auf relativistische Geschwindigkeit beschleunigt.

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Die leichteren Elektronen versuchen, dem "Inferno" zu entkommen, werden aber von den Ionen zurückgehalten. Auf diese Weise baut sich ein gewaltiges elektrisches Feld auf, das auf die Elektronen einwirkt. Die Teilchen reiten schließlich gewissermaßen wie Surfer auf der Plasmawelle und nehmen dabei fortlaufend Energie auf. Erreichen die Ladungsträger die Talsohle der Welle, enteilen sie dem Plasma.

Teilchenkanonen

Bereits vor zwei Jahren hatten Malka und seine Kollegen auf diese Weise Elektronenpulse mit Energien von maximal 200 Millionen Elektronenvolt erzeugt. Das mag zwar im Vergleich zu den großen Beschleunigeranlagen, die viele hundert Milliarden Elektronenvolt liefern, eher bescheiden klingen. Die surfenden Elektronen erreichen ihre Energie aber bereits auf einer Beschleunigungsstrecke von wenigen Millimetern, während die großen Teilchenkanonen normalerweise einige Meter benötigen.

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So ermutigend die ersten Ergebnisse damals auch waren, zwei Hindernisse galt es noch auszuräumen. Zum einen wiesen die surfenden Elektronen unterschiedliche Energien auf, die über einen extrem weiten Bereich variierten. Zum andern liefen die Elektronenpulse mit einem Winkel von drei Grad auseinander und ließen sich somit nur schwer bündeln.

Inzwischen haben die Forscher um Malka wie auch zwei andere Forschungsgruppen vom Rutherford Appleton Laboratory und vom Lawrence Berkeley National Laboratory einen entscheidenden Schritt nach vorn getan. Ihnen ist es gelungen, Bündel aus jeweils mehreren Milliarden Elektronen zu erzeugen, deren maximale Energien jetzt nur noch über einen Bereich von zwanzig Elektronenvolt verschmiert sind. Außerdem lassen sich die Teilchenpulse, die nur noch zehn billiardstel Sekunden (Femtosekunden) dauern, auf einen Fleck fokussieren, der weniger als einen Millimeter mißt.

Ernsthafte Konkurrenten

Die Fortschritte sind einer genauen Einstellung von Gasdichte, Länge und Energie des Laserstrahls zu verdanken, wodurch sich beim Hinabsurfen der Plasmawellen die unterschiedlichen Energien der Elektronen ausgleichen. Ideen für mögliche Anwendungen hat Victor Malka reichlich: Angefangen von der zeitaufgelösten Analyse chemischer Reaktionen mit kombinierten Elektronen- und Laserpulsen über die Werkstoffprüfung, bei der die Ladungsträger Defekte aufspüren sollen, bis zum Studium von Kernreaktionen.

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Nicht nur Elektronen lassen sich mit intensiven Laserpulsen erzeugen, sondern auch Bündel von Protonen und Ionen, wie Markus Roth von der Technischen Universität in Darmstadt erklärte, der seine Experimente unter anderem am Laserzentrum Luli in Massy-Palaiseau bei Paris ausführt. Das dort verwendete Verfahren ist ähnlich, nur daß man die Lichtpulse auf eine Aluminiumfolie lenkt.

Bis zu zwanzig Millionen Elektronenvolt

Als Folge entsteht das heiße Plasma auf der Oberfläche des Metalls. Der Prozeß ist noch nicht im Detail verstanden. Es scheint sich eine Schockwelle auszubilden, die zunächst die leichten Elektronen mitreißt und auf der anderen Seite aus dem Material austreten läßt. Durch die zurückgebliebenen positiv geladenen Atome baut sich auf engstem Raum ein gewaltiges elektrisches Feld auf, das anschließend sogar Protonen und auch Ionen aus der Folie treibt.

Mißt man die Energie der Protonen, die vornehmlich von Wasserstoffatomen stammen, erlebt man eine Überraschung: Roth und seine Kollegen haben Teilchenenergien von bis zu zwanzig Millionen Elektronenvolt registriert. Wenn sie die Aluminiumfolie geschickt krümmen, können sie die aus Billionen von Protonen bestehenden Teilchenbündel sogar auf eine Fläche von wenigen Quadratmikrometern lenken. Die Dauer und die Qualität der Protonenpulse übertrifft nach Bekunden von Roth bei weitem die Möglichkeiten herkömmlicher Protonenbeschleuniger.

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Rund 25 Quadratmeter

Wenn den herkömmlichen Teilchenkanonen auch noch keine wirkliche Gefahr droht, so bestechen die mikroskopischen Beschleuniger durch zwei Trümpfe: der Preis und die Größe. Den meisten Platz benötigt der Laser - in Malkas Labor nimmt er rund 25 Quadratmeter ein.

Mit 1,5 Millionen Euro ist das Gerät zudem vergleichsweise günstig. Nach Einschätzung der Plasmaforscher werden in fünf Jahren deutlich leistungsfähigere, kompaktere und günstigere Geräte zur Verfügung stehen. Kein Wunder also, daß man mittlerweile auch bei den großen Beschleunigerzentren in Europa, Amerika und Japan an den kompakten Konkurrenten forscht.

Manfred Lindinger - Portraitaufnahme für das Blaue Buch "Die Redaktion stellt sich vor" der Frankfurter Allgemeinen Zeitung
Manfred Lindinger
Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.
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