Wunderwerk der Technik: Dieser Teilchenbeschleuniger ist nur so groß wie eine Münze

Forscher:innen der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg ist es gelungen, einen Teilchenbeschleuniger zu bauen, der etwa so groß wie eine 1-Cent-Münze ist. Dieser ist damit etwa 54 Millionen Mal kleiner als der Large Hadron Collider am CERN in der Schweiz.

Erste Demonstration eines nanophotonischen Elektronenbeschleunigers

Im Large Hadron Collider (LHC) am CERN sind 9000 Magneten sowie Röhren von knapp 27 Kilometern Länge verbaut. Dort können Elektronen beinahe vollständig auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt, um sie dann kollidieren zu lassen und die dabei auftretenden Vorgänge zu untersuchen.

Der Beschleuniger Nanophotonic Electron Accelerator (NEA) des Teams in Erlangen arbeitet nach einem ähnlichen Prinzip – nur ist er um ein Vielfaches kleiner. Genauer gesagt findet er auf der Fläche einer kleinen Münze Platz. Im Inneren des NEA wird ein Laser in einer 0,5 Millimeter langen Röhre auf mikroskopisch kleine Pfeiler gerichtet. Die Elektronen in der Röhre werden dann um etwa 40 Prozent beschleunigt. Diese Technologie wurde von dem Team 2015 erstmals vorgestellt. Nun erfolgten die ersten Tests. Dabei gelang es ihnen erstmals, die Funktion eines nanophotonischen Teilchenbeschleunigers zu demonstrieren.

Möglicher Einsatz in der Strahlentherapie

Natürlich kann man solche Miniatur-Teilchenbeschleuniger nicht mit dem Large Hadron Collider vergleichen. Was vielen Menschen allerdings nicht bewusst ist: Teilchenbeschleuniger begegnen uns auch im Alltag – etwa bei medizinischen Bildgebungsverfahren oder bei der Behandlung von Tumoren mit Strahlentherapie. Auch diese Teilchenbeschleuniger sind relativ groß, allerdings natürlich nicht im Ansatz so groß wie der LHC in Genf.

Im Zusammenhang mit derartigen „kleineren“ Teilchenbeschleunigern zeigt sich auch die mögliche Anwendung von Miniatur-Teilchenbeschleunigern. „Die Traumanwendung wäre, einen Teilchenbeschleuniger auf einem Endoskop zu platzieren, um eine Strahlentherapie direkt an der betroffenen Stelle im Körper durchführen zu können„, so Dr. Tomáš Chlouba, einer der vier Erstautoren der Studie. Von solchen Anwendungen sind die Forscher:innen allerdings noch reicht weit entfernt. Die Demonstration des nanophotonischen Elektronenbeschleunigers ist nun allerdings ein entscheidender Schritt gelungen. Es handelt sich um den ersten funktionierenden Teilchenbeschleuniger auf einem Chip.

Energiegewinn steigern für Einsatz in der Medizin

Nun geht es für die Forscher:innen darum, den Energie- und Elektronenstromgewinn so weit zu Steigern, dass eine Anwendung in der Medizin möglich wäre. Um dies zu ermöglichen, müsste der Energiegewinn etwa um den Faktor 100 gesteigert werden. „Um höhere Elektronenströme bei höheren Energien am Ausgang der Struktur zu erreichen, müssen wir die Strukturen erweitern oder mehrere Kanäle nebeneinander legen„, erklärt Chlouba weiter.

Parallel zu dem Team aus Erlangen gelang es auch Forscher:innen der Stanford University, einen solchen nanophotonischen Elektronenbeschleuniger zu demonstrieren. Beide Teams arbeiten gemeinsam in einem von der Gordon and Betty Moore Foundation geförderten Projekt gemeinsam an der Realisierung des „Beschleunigers auf einem Chip“.

via FAU