Turbolader für Elektronen

News: Turbolader für Elektronen

Stößt man ein Elektron mit einem Hochenergie-Laser an, muss man auf einiges gefasst sein: Plötzlich jagen die Elementarteilchen fast mit Lichtgeschwindigkeit in den Atomhüllen herum. Laserphysiker bezeichenen diese aufwendig generierten Effekte als relativistisch. Eine deutlich preiswertere Lösung für die Erzeugung der ultraschnellen Elektronen demonstrierten Forscher anhand einer Computersimulation. Sie sind der Ansicht, dass ein herkömmlicher Kohlendioxid-Laser zusammen mit einem starken Magnetfeld ausreicht, um die Teilchen auf Hochtouren zu bringen.

Die jüngeren und jüngsten Entwicklungen in der Laser-Technologie stellen die Gedankenwelt der theoretischen Physiker in so manchem Bereich vollkommen auf den Kopf. So kann zum Beispiel, entgegen jeder Erwartung, ein extrem kurzer Lichtpuls aus einem Infrarotlaser ein Elektron aus der Hülle eines Atoms herausschlagen, und es daraufhin so rabiat zurück schleudern, dass es dabei seinerseits Laser-ähnliche Strahlung im Röntgenbereich emittiert. Das ausgesandte Licht ist damit 200mal so energiereich wie die Infrarotphotonen. Allerdings sind diese Laser-Atom-Interaktionen ein relativ schwieriges Arbeitsgebiet, denn stößt man die Atome zu stark an, werden sie einfach ionisiert, und das Elektron fällt nicht zurück an seinen Platz. Außerdem sind die erforderlichen Geräte sehr teuer.

Diese beiden Probleme haben jetzt Rainer Grobe und seine Mitarbeiter von der Illinois State University in den Griff bekommen – zumindest in der Simulation (Physical Review Letters vom 10. April 2000). Mit einem starken Magnetfeld verhindern sie, dass das Elektron den Atomkern verlässt, egal wie groß seine Bahn wird. Das Magnetfeld zwingt es in einer Kurve wieder zurück. Stimmt es dabei die Kreisfrequenz des Teilchens auf das oszillierende Feld des Lasers ab, dann kann das Elektron große Energiemengen aus relativ schwachen Lasern aufnehmen. Ein Laser der "nur" 10¹⁴ Watt pro Quadratzentimeter abstrahlt, könnte so – zusammen mit einem Magnetfeld der Stärke 10 Tesla – Elektronen fast auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigen.

Grobe und seine Kollegen simulierten ein Wasserstoffatom mit seiner Elektronenwolke unter Gesichtspunkten der klassischen und relativistischen Mechanik – vernachlässigten also die Quantenmechanik – und fanden noch weitere Überraschungen: Unter bestimmten Bedingungen verwandelt sich die Elektronenwolke in ein ringförmiges Gebilde, das um den Atomkern rotiert. Der Ring nahm dabei Durchmesser von bis zu 500 Nanometer ein – fünftausend Mal größer also als ein normales Atom. Während die Wissenschaftler das magnetische Feld allmählich in Resonanz zum Laser einstellten, nahm die Geschwindigkeit des Elektrons zu. Allerdings stieg sie nicht kontinuierlich, sondern in einer unreglmäßigen Art, die im Geschwindigkeit-Feld-Diagramm einen Sägezahnverlauf aufwies. Bei einigen Einstellungen waren die Elektronen auf Grund der relativistischen Effekte sogar schneller als sie nach der Newtonschen Mechanik sein sollten. Im Gegensatz dazu bewirkt die Relativität sonst eine verminderte Beschleunigung von Massen.

Siehe auch

Spektrum Ticker vom 6.4.2000
Energiequelle ohne Puls
Spektrum Ticker vom 24.3.2000
Eine optische Pinzette
(nur für Ticker-Abonnenten zugänglich)
Spektrum Ticker vom 24.2.2000
Erstmals Strahlung mit supraleitendem Elektronenlaser
(nur für Ticker-Abonnenten zugänglich)
Spektrum Ticker vom 25.8.1999
Ein Atom ohne Kern

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