Elektronen und Ionen im Laserlicht

Teilchenbeschleunigung durch Lichtdruck

Physikern aus München und Berlin gelang erstmals die Beschleunigung von geladenen Teilchen durch mechanische Kräfte, die direkt von einem hoch intensiven Laserstrahl ausgehen. Damit kamen sie dem Konzept eines kostengünstigen kompakten Laser-Teilchenbeschleunigers, zum Beispiel für die medizinische Tumorbestrahlung, einen großen Schritt näher.

Physiker des Berliner Max-Born-Instituts, zusammen mit Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik in Garching und der Ludwig-Maximilians-Universität München, konnten im Jahr 2009 erstmals einen lange vorhergesagten Mechanismus der Laser-Ionenbeschleunigung experimentell bestätigen. Dieser beruht auf dem direkten Impulsübertrag zwischen Licht und Materie - dem Lichtdruck. Die Methode arbeitet im vorliegenden Experiment 40-mal so effizient wie die bisher benutzten Verfahren der Laser-Teilchenbeschleunigung und die Energie der Teilchen konnte bei gleicher Laserenergie um ein Vielfaches gesteigert werden.

Eine Computersimulation zeigt, wie ein Wellenberg einer Welle eine Folie eindrückt.
Simulierter Lichtdruck

Licht ist selbst für Physiker noch immer faszinierend. Es besteht aus Photonen, die weder Masse noch Ausdehnung, wohl aber Energie und Impuls besitzen. Photonen sind stets mit Lichtgeschwindigkeit unterwegs. Treffen sie auf ein Hindernis, gibt es meist nur zwei Möglichkeiten: Entweder sie werden vernichtet und geben sowohl Energie als auch Impuls vollständig ab (was nur bei relativ komplexen Reaktionspartnern funktioniert) oder sie werden reflektiert und übertragen Impuls in Form eines Rückstoßes. Letzteres Phänomen bezeichnet man als Lichtdruck. Er ist bei normalen Lichtintensitäten, wie wir sie zum Beispiel vom Sonnenlicht kennen, kaum beobachtbar. Im Weltraum jedoch erfahren Satelliten über lange Zeiten tatsächlich eine messbare Ablenkung durch das Sonnenlicht. Im Innern der Sonne ist die Lichtintensität dagegen so gewaltig, dass der Lichtdruck die ungeheure Schwerkraft des Sterns ausgleichen kann: Ohne Lichtdruck würde unsere Sonne einfach in sich zusammenfallen.

Moderne Laser können Lichtintensitäten erzeugen, die noch um ein Vielfaches stärker sind als diejenigen im Innern der Sonne. Trifft ein solcher Laserpuls auf eine reflektierende Materieschicht, so wirkt sein Rückstoß wie ein gewaltiger Hammer. Macht man die reflektierende Materieschicht extrem leicht, das heißt nur wenige Atomlagen dick und nicht größer als den Durchmesser des fokussierten Laserstrahls von wenigen Tausendstel Millimetern, dann erfährt sie eine gewaltige Rückstoßbewegung - fertig ist der Laserbeschleuniger. In der Tat könnte so ein Mini-Spiegel während der ultrakurzen Pulsdauer eines Höchstfeld-Lasers fast bis auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden. Mit konventionellen Verfahren bräuchte man dafür Beschleuniger von etlichen hundert Metern oder gar Kilometern Länge.

Gruppenfoto der Forscher um zylindrische, silberne Vakuumkammer.
Die Arbeitsgruppe

So einfach das Konzept klingt, so groß sind die Schwierigkeiten, es umzusetzen. Zunächst benötigt man eine entsprechend dünne Folie - eine Spezialität der Münchner Kollaborationspartner. Eine an der Ludwig-Maximilians-Universität München entwickelte Diamantfolie ist auch bei nur wenigen Nanometern Dicke noch ausreichend reißfest, um sich selbst zu tragen. Bislang verwendete man zur Laserbeschleunigung üblicherweise 1000-mal dickere Folien. Allerdings muss die Folie auch unversehrt bleiben, bis das Maximum des Laserpulses sie erreicht. Hier sind Laserpulse von höchster Qualität gefragt, die ihre gesamte Intensität, frei von jedem störenden Untergrund, auf nur wenige zehn Femtosekunden (eine Femtosekunde entspricht einer Billardstel Sekunde) Dauer konzentrieren. Darauf versteht sich das Max-Born-Institut in Berlin. Mit der Folie aus München und dem Laser aus Berlin waren alle Voraussetzung gegeben, das neue Beschleunigungskonzept auszuprobieren, das bis dato nur auf dem Papier existierte.

Mit dem Experiment wurde ein Durchbruch in der Laserbeschleunigung erzielt. Die erzeugten Ionenstrahlen haben eine höhere Energie als die mit vergleichbaren Laserenergien erreichten und weisen eine relativ schmalbandige Energieverteilung auf. Das heißt, ein hoher Prozentsatz der Ionen besitzt eine nahezu gleiche Energie. Auch war der Öffnungswinkel des Strahls erfreulich gering.

Silberne Halterungen, gegenüber ein kreisrunder Spiegel in grünlichem Licht.
Im Inneren der Vakuumkammer

Damit wurde eine bereits bestehende Theorie untermauert, wie sich Strahlen von Ionen gleicher Energie erzeugen lassen. Die theoretischen Arbeiten beschäftigen sich auch mit der Skalierbarkeit des Prozesses. So wird – entsprechend dem simplen Rückstoß-Modell – eine lineare Abhängigkeit der Ionenenergie von der Laserintensität erwartet, im Vergleich zu einer Quadratwurzel-Abhängigkeit im bisher „klassischen“ Fall der Laser-Ionen-Beschleunigung. Es lassen sich also wesentlich höhere Ionenenergien bei gleicher Laserintensität erwarten. Dies ist entscheidend für die Planung neuer und größerer Laseranlagen und für die Realisierbarkeit künftiger Anwendungen.

Die erzielten Resultate ebnen zum Beispiel den Weg für Laser-Ionenquellen, die bei der Tumortherapie eingesetzt werden können. Strahlen aus Kohlenstoff gelten in vielen Fällen als effektivste und für den Patienten schonendste Methode, Tumore zu behandeln, weil sie ihre zerstörerische Kraft erst unmittelbar im Tumor entfalten und nicht schon auf dem Weg dorthin die gesunden Zellen schädigen, wie es bei konventionell eingesetzten Röntgen- oder Elektronenstrahlen der Fall ist. Sie eignen sich daher besonders für die Behandlung von Tumoren in hochsensiblen Regionen, beispielsweise in der Nähe des Hirnstammes, oder für sehr tief im Körper liegende Tumore.

Die nächste Herausforderung ist, die Energie und Anzahl der Ionen weiter zu erhöhen. Noch reichen sie für eine effektive Strahlentherapie nicht aus, da die Ionen mangels Energie nicht tief genug in den Körper eindringen würden. Dazu müssen neue Laser entwickelt werden, welche die hervorragende Strahlqualität des Berliner Lasers mit noch höherer Intensität vereinen. Derartige Systeme sind zur Zeit nicht nur am Max-Born-Institut Berlin und in München, sondern in einigen Labors weltweit im Aufbau.