Röntgenlaser sendet den stärksten Puls aller Zeiten aus!

Kürzlich gelang Wissenschaftlern am SLAC National Accelerator Laboratory ein bedeutender Durchbruch auf dem Gebiet der wissenschaftlichen Forschung. Sie nutzten die Linear Accelerator Coherent Light Source (LCLS-II)-Anlage in Kalifornien, um erfolgreich den bis dato stärksten Röntgenpuls zu erzeugen.
Die Dauer dieses Pulses war so kurz, dass er in nur 4,4 Billionstel Sekunden (Attosekunden) fast 1 Terawatt Energie - 1 erzeugte, 000 Mal mehr als die durchschnittliche jährliche Stromerzeugung eines Kernkraftwerks.
LCLS-II ist eine verbesserte Version der Linear Coherent Light Source, die im SLAC National Accelerator Laboratory des US-Energieministeriums neben der Stanford University in Menlo Park, Kalifornien, untergebracht ist. Das Gerät nutzt Freie-Elektronen-Lasertechnologie, um einen Elektronenstrahl auf nahezu Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen und ihn durch eine Reihe von Magnetfeldern oszillieren zu lassen, um intensive Röntgenstrahlen auszusenden. Diese Röntgenstrahlen können verwendet werden, um winzige Objekte wie Moleküle abzubilden und die Wechselwirkungen zwischen den Atomen in ihnen zu beobachten.
Der LCLS-II kann bis zu einer Million Röntgenpulse pro Sekunde aussenden, 8.300 Mal mehr als frühere LCLS-Laser. Kombiniert man die erhöhte Pulsrate mit der erhöhten Anzahl von Elektronen pro Puls, ist das neue Gerät mehr als 10.500 Mal heller als sein Vorgänger.
Besonders bemerkenswert ist, dass der LCLS-II bis zu 1 Million Röntgenpulse pro Sekunde aussenden kann, eine 8.4-fache Steigerung gegenüber dem vorherigen LCLS-Laser. In Kombination mit der erhöhten Pulsrate und der größeren Anzahl von Elektronen pro Puls ist das neue Gerät mehr als 10.6-mal heller als sein Vorgänger. Darüber hinaus kann das Gerät kurze Pulse im Bereich von 7 Femtosekunden erzeugen, wobei die Pulsdauer bei niederenergetischen Röntgenstrahlen bis zu 250 Femtosekunden beträgt, und es ist sogar in der Lage, sehr kurze Pulse von weniger als 10 Femtosekunden zu erzeugen.
Mit solch kurzen Wellenlängen, kurzen Impulsen und schnellen Wiederholungen von Lasern können Wissenschaftler das Gerät verwenden, um chemische Reaktionen zu beobachten. Im Wesentlichen kann jeder Impuls die Konfiguration der an der Reaktion beteiligten Atome abbilden, und diese Bilder können dann aneinandergereiht werden, um einen Effekt zu erzeugen, der einem molekularen „Knetfilm“ ähnelt. Im Jahr 2018 produzierte die LCLS-Einrichtung erfolgreich einen Film des menschlichen Sehens und der chemischen Prozesse, die an der Photosynthese beteiligt sind, in nur 1.2 Femtosekunden.
LCLS-II kann nicht nur winzige Objekte abbilden, sondern hat auch eine Genauigkeit von bis zu 1 Angström (10^-10 Meter). Diese Fähigkeit wird es Forschern ermöglichen, in atomare Prozesse in Bereichen von biologischen Systemen bis hin zu Photovoltaik und Brennstoffzellen einzutauchen. Gleichzeitig wird das Lasergerät Wissenschaftlern auch dabei helfen, physikalische Phänomene wie Supraleitung, Ferroelektrizität und Magnetismus weiter zu erforschen.
Eine der Schlüsselkomponenten des Upgrades ist die Installation einer revolutionären Technologie. Während frühere Gaspedale bei Raumtemperatur funktionierten, verwendet das verbesserte LCLS-II eine supraleitende Gaspedalanordnung, die einen Betrieb bei Temperaturen bis nahe dem absoluten Nullpunkt (-456 Grad Fahrenheit oder -271 Grad) ermöglicht. Das LCLS-II verfügt außerdem über bessere Magnete zum Schwingen des Elektronenstrahls.
Obwohl LCLS-II gerade erst in Betrieb genommen wurde, gibt der Erfolg der ersten LCLS-Gaspedale den Forschern Anlass zu Optimismus. Mehr als 3.000 Wissenschaftler haben die Anlage genutzt und über 1.450 Artikel veröffentlicht. Die zukünftigen Einsatzmöglichkeiten dieses leistungsstarken Röntgenpulsemitters sind vielversprechend und werden voraussichtlich neue Erkenntnisse und Durchbrüche im Bereich der wissenschaftlichen Forschung bringen.