Weltweit gibt es mehr als 30 Freie-Elektronen-Laser (FEL). Sie gelten als extrem leistungsfähige, aber auch aufwändige Forschungsmaschinen. Mit ihnen lassen sich unbekannte Eigenschaften von Materialien entschlüsseln oder ultraschnelle Prozesse verfolgen wie etwa chemische Reaktionen, die in billiardstel Sekunden ablaufen. Deshalb sind vor allem für Strukturbiologen interessant auf der Suche nach neuen medizinischen Wirkstoffen. Doch FELs sind nicht nur horrend teuer – der Röntgen-FEL am Desy in Hamburg hat Milliarden gekostet. Sie sind auch mehrere hundert Meter oder sogar ein paar Kilometer lang. Forscherinnen und Forscher hoffen daher schon seit einiger Zeit darauf, die benötigten, fast lichtschnellen Elektronen statt mit einem riesigen Teilchenbeschleuniger mit einem Laserplasma zu erzeugen. Damit ließe sich das ganze Gerät auf eine Länge von unter einem Meter schrumpfen. Einem internationalen Forschungsteam um Marie Labat vom Synchrotron SOLEIL in Frankreich und Arie Irman vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) ist nun möglicherweise ein entscheidender Schritt auf dem Weg dorthin geglückt.

Zwar lassen sich grundsätzlich schon länger Elektronen mit Hilfe eines Plasmas, also einem ionisierten Gas aus negativ geladenen Elektronen und positiv geladenen Atomrümpfen, beschleunigen. Wie das Team jetzt im Fachmagazin »Nature Photonics« berichtet, ist es ihnen nun jedoch erstmals gelungen, die schnellen Teilchenpakete aus dem Plasmabeschleuniger in einem Undulator kontrolliert in Laserlicht umzuwandeln. Das ließ sich bislang nur in Ansätzen realisieren. Als Undulator bezeichnet man eine Magnetanordnung, die die Elektronenpakete auf Slalombahnen zwingt. Dadurch ordnen sich die Pakete zu vielen kleineren Päckchen um, die gemeinsam starke, laserartige Lichtpulse aussenden.

Um Laserblitze im ultravioletten Bereich zu erzeugen, hatten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mehrere Probleme zu lösen. Zum einen mussten sie Elektronenpakete herstellen, die sehr viele Elektronen enthalten. Zum anderen müssen diese eine möglichst einheitliche Energie besitzen. Um das zu realisieren, nutzte das Team eine so genannte Plasmalinse. Außerdem schoss es synchron zu den Elektronenpaketen gezielt Lichtpulse in den Undulator, »Seeding« genannt, was den FEL-Prozess zusätzlich beschleunigte und die Qualität der Laserblitze verbesserte.

»Ein plasmagetriebener FEL galt immer als einer der wichtigsten Meilensteine auf unserem Feld. Durch unser Experiment sind wir nun ein gutes Stück vorangekommen«, sagte Physiker Arie Irman laut einer Pressemitteilung des HZDR. Man erwarte nun, dass der Weg zu kleinen Freie-Elektronen-Lasern ein gutes Stück kürzer geworden sei. Die nächste Herausforderung sei, statt UV-Pulsen hochintensive Röntgenblitze zu erzeugen. Dafür müssen die Elektronen jedoch noch deutlich stärker beschleunigt werden. Womöglich lässt sich dieses Problem erst mit einer neuen Generation von Hochleistungslasern lösen.