Forschern gelingt Durchbruch zum Röntgenlaser

Das Besondere an diesem rund 30 Meter langen Elektronenlaser ist neben seiner großen Intensität der weite Wellenlängenbereich von 80 bis 180 Nanometern (Millionstel Millimeter). Herkömmliche Laser strahlen nur Licht mit bestimmten festen Wellenlängen, entsprechend der verwendeten Elemente aus. Damit steht Wissenschaftlern aus aller Welt eine einzigartige Lichtquelle für die Untersuchung von Biomolekülen oder neuen Nanomaterialien zur Verfügung. Die ersten Messungen an Clustern ? Zusammenballungen einzelner Atome – beginnen in diesen Tagen.

In Hamburg wird das intensive Laserlicht nach einem neuartigen Prinzip erzeugt: Elektronen werden in einem supraleitenden Teilchenbeschleuniger auf hohe Energien gebracht, fliegen anschließend im Slalomkurs durch eine besondere Magnetanordnung und senden dabei laserartig gebündelte Strahlung aus. Der Verstärkertrick: Die Elektronen und die Strahlungsblitze beeinflussen einander auf ihrem Weg durch die 15 Meter lange Magnetstruktur so, dass die zu winzigen Päckchen gebündelten Elektronen immer dichter zusammengedrängt werden und immer intensiver strahlen – ein sich selbst verstärkender Effekt. Er wiederholt sich so oft, bis sämtliche Elektronen im Gleichtakt schwingen. Das von ihnen ausgesandte Licht überlagert sich zu extrem intensiven Laserblitzen. Dies ist das SASE-Prinzip – „Self-Amplified Spontaneous Emission“, die selbstverstärkte spontane Emission. Das Besondere am SASE-Prinzip ist, dass es im Gegensatz zu herkömmlichen Lasern nicht auf bestimmte Wellenlängen beschränkt ist. Die Beschleunigung der Elektronen muss nur entsprechend der gewünschten Wellenlänge eingestellt werden.

In der nächsten Ausbaustufe kommendes Jahr soll dieser Elektronen-Laser auf etwa 300 Meter Beschleunigungsstrecke verlängert werden. Damit wollen die Wissenschaftler weiche Röntgenstrahlen mit einer Wellenlänge bis hinunter zu sechs Nanometern erreichen. Gleichzeitig dient sie als Pilotanlage für das Zukunftsprojekt TESLA.

TESLA steht für TeV-Energy Superconducting Linear Accelerator, also supraleitender linearer Beschleuniger für Tera-Elektronenvolt-Energien. Dahinter verbirgt sich ein 33 Kilometer langer, in internationaler Zusammenarbeit entwickelter Linearbeschleuniger, in dem Elektronen auf ihre Antiteilchen, die Positronen, stoßen sollen. Auf der Suche nach den kleinsten Bausteinen der Materie wollen die Physiker mit diesem Linearbeschleuniger die Eigenschaften von Quarks, den bisher kleinsten Kernbausteinen, und möglicherweise auch das lange gesuchte Higgs-Boson untersuchen.

Ein Beschleuniger ermöglicht Teilchenkollisionen mit höchster Energie und dient gleichzeitig als Quelle für intensive und extrem kurze Röntgenblitze mit Lasereigenschaften. Die TESLA-Röntgenlaser eröffnen neue Forschungsperspektiven für ganz verschiedene Fachgebiete – von der Physik über die Chemie, Biologie und Materialforschung bis hin zur Medizin. Mit einer Entscheidung über das TESLA-Projekt wird ab Sommer 2002 gerechnet. TESLA soll als internationales Zentrum gegründet und betrieben werden. Nach seiner Genehmigung und dem Ablauf des Planfeststellungsverfahrens könnte TESLA nach etwa achtjähriger Bauzeit den Betrieb Anfang des nächsten Jahrzehnts aufnehmen.

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