Kompakter Beschleuniger erzeugt Strahl aus hochenergetischen neutralen Atomen

Mumbai (Indien) – Geladene Teilchen können heutzutage in großen Teilchenbeschleunigern Energien von mehreren Billionen Elektronenvolt erreichen. Neutrale Atome hingegen sind wesentlich schwieriger auf hohe Energien zu bringen, mit kompakten Geräten kommt man heute nur in den Bereich einiger Tausendstel Elektronenvolt. Physiker haben diese Grenze nun um gleich mehrere Größenordnungen durchbrochen. Im Fachblatt „Nature Physics“ stellen sie ein neues Verfahren vor, um neutrale Atome auf kinetische Energien von bis zu einer Million Elektronenvolt zu bringen. Die nötigen Apparaturen passen auf einen Tisch und könnten umfangreiche Anwendung in der Nano- und Mikrotechnik sowie in der Plasmaphysik finden.

Grafik, die Argon-Nanocluster sind mit Clustern aus orangenen Kügelchen dargestellt, die kalten Nanocluster sind grün und nehmen die Elektronen in Form von schwarzen Kugeln auf. Dazwischen sind hochenergetische Argonionen als einzelne orangefarbene Kugel dargestellt, die neutralisierten Ionen sind blau
Beschleunigung neutraler Atome

„Die Beschleunigung neutraler Atome ist eine wichtige komplementäre Technologie zu den geladenen Teilchen. Denn neutrale Teilchen werden nicht von elektrischen und magnetischen Feldern beeinflusst und können so tiefer in Materie eindringen als Ionen“, erklärt Rajeev Rajendran vom Tata Institute of Fundamental Research in Mumbai. Der neue, kompakte Beschleunigertyp basiert auf einem dreistufigen Prozess. Im ersten Schritt trifft ein ultrakurzer intensiver Laserstrahl auf einen Nanocluster neutraler Argonatome. Der Laserpuls ionisiert die Atome sehr effektiv, es werden bis zu zwölf Elektronen aus der Atomhülle freigesetzt. Im zweiten Schritt fliegen die Elektronen durch benachbarte kalte Nanocluster. Dort regen sie die Atome durch Kollisionen zur Bildung von Rydberg-Zuständen an. Dies sind hochangeregte Zustände, bei denen die Elektronen nur noch schwach gebunden sind und deshalb leicht an andere Atome abgegeben werden können.

Im dritten Schritt, wenige billionstel Sekunden nach dem Laserpuls, folgen die etwas langsameren Ionen den Elektronen. Durch die elektrische Abstoßung der stark positiv geladenen Ionen im Nanocluster explodiert dieser geradezu. Dabei werden die Argonionen bis hin zu einem Megaelektronenvolt beschleunigt. Auf ihrem wenige Millimeter langen Weg durch die kalten Nanocluster wechselwirken sie mit den Rydberg-Zuständen und streifen den Atomen die hochangeregten Elektronen ab. Dabei werden sie wieder neutralisiert und fliegen als hochenergetischer neutraler Strahl weiter.

Die Forscher überprüften ihre Apparatur auch mit Kohlendioxidgas und konnten ihre Ergebnisse, insbesondere den Elektronentransfer über Rydberg-Zustände, bestätigen. Die Eigenschaften des Atomstrahls lassen sich über die Clustergröße und die Laserparameter justieren. Als möglichen Anwendungsbereich nennen Rajendran und seine Kollegen die Lithografie, bei diesem Verfahren werden mithilfe von Laserstrahlen mikro- oder nanometergroße Strukturen für die Halbleiterindustrie und Mikrosystemtechnik hergestellt. Außerdem könnten solche kompakten Beschleuniger hochenergetische Atome für Tokamak-Fusionreaktoren erzeugen. An der Tokamaktechnologie forschen Wissenschaftler, um Kerne von schweren Wasserstoffatomen zu Helium zu verschmelzen und so große Mengen an Energie zu gewinnen.