Teilchenbeschleuniger auf Mikrochips

Wir berichteten bereits über die Forschung unseres Wissenschaftlers Lorenzo Bortot, vom Fachgebiet Computersimulation elektromagnetischer Felder. Dieser forscht am Large Hadron Collider in der Großforschungseinrichtung CERN, der mit seinen 26 Kilometern im Umfang ein Koloss nach internationalen Maßstäben ist (Artikel hier). Doch dass Teilchenbeschleuniger auch im anderen Extrem, nämlich im Nanobereich, daherkommen können, demonstrierte das Team um Dr. Uwe Niedermayer vom Fachgebiet Beschleunigerphysik. Ihr Teilchenbeschleuniger ist so klein, dass er auf einen Silizumchip passt.

Accelerator on a Chip, beziehungsweise ACHIP – unter jenem Namen firmiert das Forschungsprojekt, für das Niedermayer kürzlich zum Innovator des Jahres gekürt wurde. Der Vorteil: Siliziumchips lassen sich preiswert und auf Masse produzieren. So könnte in naher Zukunft jeder einen eigenen Teilchenbeschleuniger in der Hosentasche mit sich führen, oder gleich mehrere Hundert. Doch bis dorthin ist es noch ein weiter Weg. „Experimente dieser Art erfordern ein hochpräzises Optik- und Laserlabor, was nicht ganz billig ist“, erklärt der Wissenschaftler. „Langfristig ist das aber schon unser Ziel, dass Sie mal einen Beschleunigerchip online bestellen und damit z.B. Elektronenbeugungsexperimente zuhause durchführen können.“

Die Größe von üblichen Beschleunigern liegt unter anderem darin begründet, dass sie aus metallischen Komponenten konstruiert sind und mit Mikrowellen funktionieren. Indem man ersteres durch Glas oder Silizium ersetzt und letzteres durch kurze Laserpulse, lässt sich die Größe des Beschleunigers um einen Faktor von circa 10 verkleinern; bei gleichbleibender Energie. Die internationalen Kollaborationspartner von Niedermayer schicken auch Elektronenstrahlen aus konventionellen Großanlagen durch ihre Chips, mit dem Ziel, diese Elektronenstrahlen auf kürzeste Zeitskalen zu manipulieren. „In diesen Projekten arbeiten wir auch mit dem Paul-Scherrer Institut in der Schweiz und dem DESY in Hamburg zusammen“, erklärt Niedermayer. „Die größte technische Herausforderung dabei ist, diese verhältnismäßig großen und hochenergetischen Elektronenstrahlen in die Chips ‚hineinzuquetschen‘.“

Im Jahr 2018 war Niedermayer für zwei Monate als Gastwissenschaftler an der Stanford University in tätig, davor, im Jahr 2017, an der University of California in Los Angeles. „Das war eine sehr gute Erfahrung, da ich dort Theorie und Experiment zusammenbringen konnte.“ Gegenwärtig arbeitet der Wissenschaftler an seiner Habilitation, sowie an der Realisierung eines 1-Megavolt-Beschleunigers. „Wenn wir einen 1-MeV-Beschleuniger auf dem Chip zur Verfügung stellen können, stehen so viele Anwendungen aus Medizin, Biologie, Chemie, Materialwissenschaft sowie physikalischer und elektrotechnischer Grundlagenforschung zur Verfügung, dass man sicher ein ganzes Forscherleben damit füllen kann.“