Nanophotonischer Elektronenfokussierkanal demonstriert

„Nature“-Publikation unter Beteiligung der TU Darmstadt

22.09.2021

Ein an der TU Darmstadt entworfenes Experiment demonstriert, dass es möglich ist, einen längenskalierbaren Elektronenfokussierkanal für einen Teilchenbeschleuniger auf einem Mikrochip unterzubringen. Die Ergebnisse wurden soeben in der der Zeitschrift „Nature“ veröffentlicht.

Dr.-Ing. Uwe Niedermayer

Das internationale ACHIP (Accelerator on a Chip)-Forschungsprogramm und das Fachgebiet Beschleunigerphysik (BP) am Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik (etit) der TU Darmstadt beschäftigen sich mit Theorie, Design und der Simulation von längenskalierbaren lasergetriebenen Elektronenbeschleunigern auf nanophotonischen Chips. Ziel ist es, Teilchenbeschleuniger zu entwickeln, die so klein sind, dass sie auf Siliziumchips hergestellt können und damit kostengünstig und vielseitig eingesetzt werden können.

Eines der Designs, ein alternating-phase-focusing (APF)-Transportkanal, wurde nun beim Kollaborationspartner FAU Erlangen-Nürnberg erfolgreich hergestellt und getestet. Die mit den Simulationen übereinstimmenden Messergebnisse zeigen, dass die Elektronen wie im Design vorgesehen, über fünf Fokussierperioden transportiert werden können. Der nur 80 Mikrometer lange Aufbau stellt einen Längenrekord für Elektronentransport im Vakuumkanal eines nanophotonischen Chips dar. Wegen der niedrigen Energie der Elektronen treten bereits in einigen Femtosekunden komplexe dynamische Effekte auf. Eine Femtosekunde (10-15 Sekunden) entspricht dem millionsten Teil einer milliardstel Sekunde.

Die Darmstädter Theorie ermöglicht beliebige Längen der Chips und damit beliebige hohe Energiezuwächse der Elektronen, wenn diese Chips später als Beschleuniger konfiguriert werden. Um Verluste zu minimieren, muss jedoch das vor kurzem präsentierte allgemeinere dreidimensionale APF-Verfahren angewandt werden. Mit der experimentellen Demonstration der APF-Technik ist der Teilchenbeschleuniger auf dem Chip nun einen großen Schritt näher an der Realisierung.

Die Publikation:

R. Shiloh, J. Illmer, T. Chlouba, P. Yousefi, N. Schönenberger, U. Niedermayer, A. Mittelbach & P. Hommelhoff “Electron phase space control in photonic chip-based particle acceleration", in Nature 597, 498–502 (2021)

DOI: 10.1038/s41586-021-03812-9

Fachlicher Ansprechpartner: Dr.-Ing. Uwe Niedermayer

Niedermayer/cst