Ein Lichtblitz aus Adlershof

Ein leichtes Brummen erfüllt den Arbeitsraum im Souterrain von Haus 19/11 des Max-Born-Instituts für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI) in Berlin-Adlershof. Zwei junge Männer schrauben an einem Gerät herum, das aussieht wie eine große Modelleisenbahnplatte, auf der unzählige Kabel, Schläuche und Röhren befestigt sind. "Die beiden arbeiten schon an dem Photokatodenlaser der nächsten Generationö, sagt MBI-Physiker Ingo Will. Dessen "Vorgängermodell" hat Will und seine Kollegen vergangene Woche einen Weltrekord eingebracht. Ihre Entwicklung ist ein wichtiger Bestandteil des neuartigen Teilchenbeschleunigers, der im Deutschen Elektronen-Synchrotron (Desy) in Hamburg steht und vor einigen Tagen erstmals ultraviolette Blitze von bislang unerreichter Intensität erzeugt hat. Seit 1995 arbeiten Physiker aus der ganzen Welt an diesem so genannten Freie-Elektronen-Laser (FEL). Er soll eines Tages derart starkes Röntgenlicht erzeugen, dass damit einzelne Atome sichtbar gemacht werden können. Davon würde zum Beispiel die medizinische Diagnostik erheblich profitieren. "Was wir brauchen, sind intensive Lichtblitze mit einer sehr kleinen Wellenlängeö, erläutert der Hamburger Physiker Jörg Roßbach. Denn je kurzwelliger das Röntgenlicht ist, um so besser kann es Materie durchdringen, ohne verschluckt zu werden. In der vergangenen Woche wurde zwar noch kein Röntgenlicht erzeugt. Das hat nämlich eine Wellenlänge von höchstens 80 Nanometern (ein Nanometer ist ein milliardstel Meter). "Wir haben aber Strahlung von 93 Nanometern erhalten,ö sagt Roßbach. "Das liegt zwar noch im UV-Bereich, ist aber die kleinste Wellenlänge, die je mit einem Freie-Elektronen-Laser erreicht wurde.ö Das Besondere an dem neuen Laser ist, dass er ohne Spiegel funktioniert. Herkömmliche Laser brauchen nämlich ein ganzes Spiegelsystem, um die erzeugte Strahlung verstärken zu können. Hochenergetisches Röntgenlicht dringt aber durch jeden Spiegel hindurch. In dem hundert Meter langen FEL in Hamburg verstärkt sich die Strahlung selbst. Dafür werden Elektronen durch einen Beschleuniger geschossen, der sie fast auf Lichtgeschwindigkeit bringt. Sie fliegen dann durch einen Spezialmagneten, der Wechselfelder erzeugt, und sie dadurch zwingt, ihre geradlinige Flugbahn zu verlassen. Die Elektronen geraten auf einen Schlingerkurs und senden dabei Lichtblitze aus. Irgendwann beginnen alle Elektronen, im gleichen Takt zu schwingen. Dadurch überlagert sich die von ihnen abgegebene Strahlung, es entsteht hochintensives Laserlicht. Der Photokatodenlaser aus dem Berliner MBI befindet sich im vorderen Teil des Hamburger Geräts. "Er erzeugt die Elektronenwolken, die dann von einer Art Kanone durch den Beschleuniger geschossen werdenö, erläutert Ingo Will. "Um die Elektronen freizusetzen, muss die Kathodenoberfläche mit extrem kurzen Laserimpulsen belichtet werden.ö Extrem kurz heißt, einige Pikosekunden lang (Millionstel von millionstel Sekunden). Dadurch entstehen Elektronenwolken von genau der Größe und Dichte, wie sie im Hamburger FEL gebraucht werden.Die Freude darüber, dass die neue Technik nun erstmals funktioniert hat, merkt man Will kaum an: "Das ist schon ganz schön, aber irgendwann musste es ja einmal klappen.ö Schließlich habe man fast vier Jahre lang intensiv daran gearbeitet. Auf die Leistung des MBI ist er aber doch ein bisschen stolz. "Ohne unseren Laser würde das ganze Experiment nicht funktionieren. Er ist weltweit der Einzige, der in diesem FEL eingesetzt werden kann.ö Auch ein amerikanisches Forscherteam habe einen Photokatodenlaser für Hamburg entwickeln wollen. "Aber deren Konzept ging dann doch nicht auf."Indessen bauen die Physiker am Hamburger Desy bereits an einem Freie-Elektronen-Laser, der drei mal so lang ist wie der jetzige. Damit sollen Elektronen so stark beschleunigt werden, dass sie Röntgenlicht mit einer Wellenlänge von sechs Nanometern aussenden. "Damit", so Desy-Physiker Roßbach, "könnten wir Viren oder einzelne Zellen in Aktion beobachten.ö Selbst das ist aber nur ein weiterer Schritt auf dem Weg zum geplanten Superröntgenlaser "Tesla". Sein Licht soll so intensiv sein, dass damit sogar die Bewegungen von Atomen sichtbar werden. Auch dreidimensionale Bilder von Molekülen wären dann möglich. Dafür ist ein extrem langer Teilchenbeschleuniger geplant, der den Elektronen die nötige Energie verpasst, damit sie hochintensive Röntgenstrahlung abgeben. Insgesamt soll Tesla gut 30 Kilometer lang werden. Allerdings ist das Projekt noch nicht genehmigt. Mit einer Entscheidung rechnen die Desy-Physiker erst in drei Jahren. Sie hoffen, dass die Anlage 2010 in Betrieb gehen kann. Auch für die Wissenschaftler am MBI in Berlin heißt das große Ziel "Tesla". Im Alltag denkt daran aber kaum jemand, weil alle so viel mit den nächsten kleinen Schritten zu tun haben. Zum Beispiel mit dem Photokatodenlaser der neuen Generation. Die Adlershofer wollen ihn stabiler und zuverlässiger machen als den alten. Das wird wohl noch einige Monate dauern. "Außerdem bauen wir noch vier Photokatodenlaser der alten Generation,ö sagt Will. Zwei davon werden im Desy Hamburg aufgestellt, einer geht zur Desy-Außenstelle in Berlin Zeuthen und den vierten hat das Forschungszentrum Rossendorf in Sachsen bestellt.PHOTOKATODENLASER // Dieser Speziallaser ist ein relativ kleiner, aber wichtiger Bestandteil des hundert Meter langen Freie-Elektronen-Lasers in Hamburg. Er erzeugt die Elektronen, die anschließend durch einen Beschleuniger gejagt werden und Lichtblitze aussenden.