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Laser für alle!

Neue Infrastruktur: JuSPARC

Ein neues Familienmitglied für Jülichs wissenschaftliche Infrastruktur: JuSPARC ist ein Meilenstein für die Informations- und Materialwissenschaften am Forschungszentrum. Bald schon können alle Kolleginnen und Kollegen das Laserlabor am Peter Grünberg Institut nutzen. Langfristig soll JuSPARC als Nutzerplattform betrieben werden. Und auch Teilchenbeschleunigung soll am Ende dort möglich werden.

Bäng! Ein weiteres Raumschiff der Rebellenallianz wird von Turbo-Lasern mit grünen Energiesalven im kalten Vakuum des Weltalls pulverisiert. Science-Fiction wie diese Szene aus einem Star-Wars-Film braucht der Jülicher Physiker Prof. Markus Büscher vom Peter Grünberg Institut (Elektronische Eigenschaften, PGI-6) künftig nicht mehr, wenn er ultraschnelle Laser sehen will.

Ein Thales-Mitarbeiter arbeitet am LaserSchnell und kraftvoll: Tausendmal pro Sekunde schießt der Thales-Laser mit einer Pulsenergie von 1,4 Terawatt.
Copyright: Thales

Dann geht er einfach in sein Labor, wo derzeit zwei Spitzen-Geräte aufgebaut werden. „Natürlich sind unsere Laser von Thales und Amphos in friedlicher Mission unterwegs“, sagt Büscher schmunzelnd. Bis Ende des Jahres sollen sie laufen und für Experimente Röntgenstrahlen erzeugen. Denn darum geht es bei den Lasern bei ihrem Einsatz für die Wissenschaft: Als Strahlenquelle können sie im Jülich Short-Pulsed Particle and Radiation Center (JuSPARC) dabei helfen, ultraschnelle physikalische Phänomene in Materialien noch besser zu verstehen.

In den nächsten ein bis zwei Jahren wollen Büscher und sein Team das Laserlabor zu einer einzigartigen User Facility ausbauen. „Die größte Herausforderung ist dabei, den Hochleistungslaser im täglichen Dauereinsatz mit stets wechselnden Nutzern zu betreiben – und die Laser für jeden Forscher und sein jeweiliges Experiment in kürzester Zeit dafür exakt einzustellen.“

Gerade mal fünf bis zehn Pulse – so heißen die Schüsse der Laser – gelingen aktuell in Einzelexperimenten an einem Tag – und das ohne wechselnde Nutzer. Oder Experimente laufen mit hohen Schussraten – aber dann nicht im Dauerbetrieb. „Um am Ende 10 Millionen Pulse pro Sekunde für alle nutzbar zu machen – und das leistet JuSPARC – haben wir noch einiges zu tüfteln“, so der 56-jährige Physiker. Ist diese große Hürde aber erst überwunden, sollen Wissenschaftler des Forschungszentrums und anderer Einrichtungen die Laser praktisch durchgehend nutzen können – ähnlich wie bei den Supercomputern des JSC. So sollen auch Jülicher Kolleginnen und Kollegen aus ganz unterschiedlichen Fachrichtungen und Instituten vom neuen Laserlabor profitieren.

Ein Thales-Mitarbeiter arbeitet am LaserThales-Laser von JuSPARC
Copyright: Thales

Von Biologie bis Energieforschung

Ganz neue Erkenntnisse für die Informationstechnologie erwarten sich die Physiker von den Lasern insbesondere bei der Frage, wie sich Spins – also die Eigendrehimpulse von Teilchen – etwa in Halbleitern und bestimmten Metallen verhalten. „So kann man beispielsweise herausfinden, welche Materialien sich für schnellere und energieeffizientere Datenspeicher eignen“, erläutert Büscher. Dabei zahlt sich die hohe Schussrate der Laser aus, mit der man Spins oft hin- und herschalten kann – ein bisschen so wie winzig kleine Schalter. „Das ähnelt dem Einsatz in Festplatten.“ Hilfreich sind die Laser aber auch für Anwendungen im Internet der Dinge – zum Beispiel, um thermoelektrische Materialien zu entwickeln, die Strom aus Wärme oder anderen Quellen in der natürlichen Umgebung produzieren, um mit winzigen Sensoren Körper- oder Umweltfaktoren zu messen. „Natürlich dauert es, bis die entsprechenden Endgeräte dann auf den Markt kommen – doch ohne Grundlagenforschung geht es eben nicht“, so Büscher.

Auch in vielen anderen Forschungsfeldern kann JuSPARC Büscher zufolge interessant sein – zum Beispiel für Kollegen aus der strukturellen Biologie, der Festkörper- und der Energieforschung. Die Laser könnten demnach unter anderem dabei helfen, elementare Prozesse in Solar- und Brennstoffzellen wesentlich besser zu verstehen und so verbesserte Materialien zu entwickeln. Wie viele Infrastrukturen am Forschungszentrum, soll auch JuSPARC und die in Jülich vorhandene Expertise Wissenschaftlern anderer Einrichtungen zur Verfügung stehen.

Dass JuSPARC nicht nur für den Wissenschaftscampus am Forschungszentrum relevant ist, bestätigte sich auch bei der jüngsten Begutachtung im Rahmen der Programmorientierten Förderung der Helmholtz-Gemeinschaft. Dort hoben internationale Gutachter die Bedeutung von JuSPARC ausdrücklich hervor.

Für den Ausbau des Laserlabors stehen 5 Millionen Euro aus dem Struktur- und Entwicklungsfonds (STEF) des Forschungszentrums zur Verfügung – ergänzt durch 3,2 Millionen Euro aus dem ATHENA-Projekt der Helmholtz-Gemeinschaft.

gezeichnete Abbildung zur Funktionsweise von JuSPARCSo funktioniert der Thales-Laser von JuSPARC: Der Laser feuert stark komprimierte Lichtpulse auf ein Material ab. Ein Teil des Lichts klappt darin Spins auf atomarer Ebene um. Der andere Teil des Lichts wird über Spiegel umgelenkt und trifft zunächst auf ein Edelgas. Darin wird es in härtere Strahlung wie Röntgenlicht umgewandelt. Diese Strahlung trifft dann ebenfalls auf das zu untresuchende Material und landet in einem Detektor – einer Art Spezialkamera. „Nun muss man sich das Ganze mit irre schnellem Dauerfeuer vorstellen“, erklärt Markus Büscher. „Dadurch können wir nicht nur einzelne Momentaufnahmen machen, sondern dynamische Prozesse beobachten.“
Copyright: Adrian Sonnberger

Nächster Halt: Teilchenbeschleuniger!

Mit der ATHENA-Förderung wollen Büscher und seine Kollegen vom PGI-6 den Thales-Laser in den kommenden Jahren gemeinsam mit dem Institut für Kernphysik (IKP) zu einem Laser-basierten Teilchenbeschleuniger ausbauen. „Wir hätten dann einen Beschleuniger, der auf zwei Labortische passt und die Teilchen auf nur wenigen Millimetern fast bis auf Lichtgeschwindigkeit katapultiert“, umreißt der Physiker diese Idee. Auf diese Weise könnte der Laser noch stärkere Teilchenstrahlung erzeugen – und ganz neue Fragestellungen ermöglichen.

„Auch beim Laser-Teilchenbeschleuniger ist unser langfristiges Ziel eine User Facility“, betont Büscher. Aber der Physiker weiß: Bis dahin ist es noch ein langer, arbeitsreicher Weg. Denn um die für so einen Dauerbetrieb nötigen Laser gemeinsam mit den Herstellern zu entwickeln, müssen die Forscher erst einmal einige harte Nüsse knacken. „Wir gehen aber Schritt für Schritt. Und die erste hohe Hürde wird sein, JuSPARC – auch ohne beschleunigte Elektronen – für die tägliche Nutzung auf dem Campus fit zu machen“, sagt Büscher – und freut sich schon auf den ersten Schuss mit den neuen Lasern.

2 Turbolaser im Vergleich

Der Thales-Laser

Pulse pro Sekunde:1.000
Dauer eines Pulses: 30 Femtosekunden (ca. ein Hundertstel einer billionstel Sekunde)
Lichtleistung pro Puls:1,4 Terawatt (Zum Vergleich: Die Leistung aller Kraftwerke weltweit beträgt 10 Terawatt.)
Durchschnittsleistung
(Lichtenergie pro Sekunde):
40 Watt
Erzeugt:extremes UV-Licht und weiche Röntgenstrahlung
Prinzip:Strahlung trifft zuerst auf Material und dann auf einen CCD-Detektor

Der Amphos-Laser

Pulse pro Sekunde:10.000.000
Dauer eines Pulses:100 Femtosekunden
Lichtleistung pro Puls:500 Megawatt
Durchschnittsleistung (Lichtenergie pro Sekunde):500 Watt
Erzeugt:Extremes UV-Licht
Prinzip: Strahlung trifft auf Material, Elektronen werden herausgeschlagen und treffen auf ein
Elektronenspektrometer


Hanno Schiffer

Der Beitrag ist aus der Mitarbeiterzeitschrift "intern" des Forschungszentrums Jülich, Ausgabe 3/2018.


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