Das wird der hellste Röntgenlaser der Welt

30 Meter unter Erde, in der Nähe der Stanford University wird ein Laser fertiggestellt, der die Forschung von den Bausteinen des Universums grundlegend verändern könnte.

Der Linac Coherent Light Source II (LCLS-II) wird der zweite Röntgenlaser von Weltrang am SLAC National Accelerator Laboratory des US-Energieministeriums sein, berichtet CNET. Der dazugehörige Tunnel erstreckt sich über 3 Kilometer.

Der Laser wird bis zu 1 Million Pulse pro Sekunde erzeugen und einen Strahl, der 10.000-mal heller ist als der seines Vorgängers. Dieser erzeugte zum Vergleich einen Strahl mit 120 Lichtimpulsen pro Sekunde.

"Ich denke, man kann mit Fug und Recht behaupten, dass das LCLS-II eine neue Ära der Wissenschaft einleiten wird", sagt Dr. James Cryan, wissenschaftlicher Mitarbeiter am SLAC. Es ist "in der Lage, Pulse bis hinunter zu einer Femtosekunde zu erzeugen. Eine Femtosekunde ist für eine Sekunde so viel wie eine Sekunde für das Alter des Universums". Laut Cryan wird der Laser so schnell pulsieren, dass er bisher unmögliche Experimente möglich macht.

Molekulare Blockbuster

Man kann sich LCLS als eine Art Mikroskop mit atomarer Auflösung vorstellen. Im Kern handelt es sich um einen Teilchenbeschleuniger, ein Gerät, das geladene Teilchen beschleunigt und sie in einen Strahl lenkt. Dieser wird dann durch eine Reihe von Wechselmagneten geleitet, um Röntgenstrahlen zu erzeugen. Mit diesen Röntgenstrahlen können die Wissenschaftler*innen so genannte Molekularfilme erstellen. Dabei handelt es sich um Schnappschüsse von Atomen und Molekülen in Bewegung, die innerhalb weniger Billiardstel Sekunden aufgenommen und wie ein Film aneinandergereiht werden.

Wissenschaftler*innen aus nahezu allen wissenschaftlichen Bereichen sind aus der ganzen Welt angereist, um ihre Experimente mit dem ersten LCLS durchzuführen. Ihre Molekularfilme haben unter anderem chemische Reaktionen in Echtzeit gezeigt, das Verhalten von Atomen im Inneren von Sternen demonstriert und Live-Schnappschüsse vom Prozess der Photosynthese produziert.

Laut Andrew Burrill, dem stellvertretenden Direktor des SLAC-Labors, werden das LCLS-II und seine höhere Pulsrate für diese Molekularfilme einen entscheidenden Unterschied machen. "Wenn man sich ein Stroboskoplicht vorstellt, das 120 Mal ausgelöst wird, sieht man ein Bild. Wenn es eine Million Mal in einer Sekunde losgeht, erhält man ein ganz anderes Bild. Man kann also einen viel besseren Film erstellen", sagt er.

Unterschiedliche Funktionsweise

Der LCLS-Beschleuniger schiebt die Elektronen durch eine Kupferröhre, die bei Raumtemperatur arbeitet und nur in kurzen Stößen aktiviert werden soll. Die LCLS-II ist jedoch für den Dauerbetrieb ausgelegt, was bedeutet, dass sie enorme Wärmemengen erzeugt. Ein Kupferhohlraum würde zu viel von dieser Wärme absorbieren. Deshalb haben sich die Ingenieure für einen neuen supraleitenden Beschleuniger entschieden, der aus Dutzenden von 40 Fuß langen Geräten, so genannten Kryomodulen, besteht, die für den Betrieb bei 2 Grad über dem absoluten Nullpunkt ausgelegt sind. Sie werden von einer massiven Kryogenikanlage über der Erde auf Betriebstemperatur gehalten.

Die SLAC-Wissenschaftler hoffen, im Januar ihren ersten Elektronenstrahl mit dem LCLS-II zu erzeugen, gefolgt von ihrem ersten Röntgenstrahl im Sommer, den sie als ihr erstes "großes Licht"-Ereignis bezeichnen werden.

Laut Cryan wird das LCLS-II den SLAC-Wissenschaftlern die Beantwortung von Fragen ermöglichen, die sie seit Jahren zu lösen versuchen. "Wie läuft die Energieübertragung in molekularen Systemen ab? Wie läuft die Ladungsübertragung ab? Sobald wir einige dieser Prinzipien verstehen, können wir sie anwenden, um zu verstehen, wie wir künstliche Photosynthese betreiben und bessere Solarzellen bauen können."