Rasende Teilchen auf dem Labortisch

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Wissenschaftler des Massachusetts Institute of Technology haben einen photonischen Kristall aus Metallzylindern hergestellt, in dem Elektronen mithilfe von kurzen Mikrowellenpulsen beschleunigt werden können. Der Kristall bringt die Mikrowellenpulse dabei in eine für die Beschleunigung optimale räumliche Form, so dass Elektronen bei ihrem Flug durch den Kristall eine Energie von etwa 35 Megaelektronenvolt pro Meter gewinnen. Die Forscher glauben, dass ihr Konzept eine neue Klasse von Teilchenbeschleunigern ermöglichen wird.

Dass sich Elektronen mithilfe von kräftigen, nur winzigen Bruchteilen einer Sekunde dauernden Mikrowellenpulsen beschleunigen lassen, ist schon seit längerem bekannt. Allerdings ist diese Art der Beschleunigung nicht besonders effizient, da die Wechselwirkung des Strahls mit den Mikrowellen zur Erzeugen von Störfeldern führt, die der Beschleunigung entgegenwirken.

Evgenya Smirnova und ihre Kollegen aus Boston haben dieses Problem nun mithilfe eines eleganten Tricks gelöst: In einem Experiment schickten sie den Elektronenstrahl zusammen mit den Mikrowellenpulsen durch einen so genannten photonischen Kristall. Dieser bestand aus Metallzylindern, die in regelmäßigem Abstand in einem zweidimensionalen Gitter angeordnet waren.

Diese Periodizität führte dazu, dass der Kristall die von den Elektronen durch die Beschleunigung ausgelösten Störfelder unterdrückte ? sie fielen nämlich in die Bandlücke des Kristalls und konnten sich daher nicht in ihm ausbreiten. In einem ersten Experiment konnten die Forscher so einen Strahl um 1,4 Megaelektronenvolt beschleunigen.

Die Forscher sind der Ansicht, dass ihre Pilotversuche zu der Entwicklung von leistungsfähigen Teilchenbeschleunigern führen werden, deren Ausmaße die eines Labortischs nicht überschreiten. Sie wollen als nächstes nun einen größeren Kristall herstellen, um die Beschränkungen des neuen Verfahrens zu erforschen.

Physical Review Letters (Band 95 Artikel 074801)

Stefan Maier

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