Weiterer Fortschritt hin zur Entwicklung von Gammastrahlenlasern

Die Entwicklung von Gammastrahlenlasern wurde kürzlich als eine der 30 vordringlichsten Aufgaben in der modernen Physik benannt. Ein EU-finanziertes Projekt entwickelte nun neue Technologien, mit der dieses Ziel greifbarer scheint.

Grundlagenforschung

Die Konstruktion eines Gammastrahlenlasers ist noch immer eine Herausforderung für die Forschung. Ein gängiger Laser erzeugt kohärente Strahlen aus sichtbarem Licht. Über einen Gammastrahlenlaser, der kohärente Gammastrahlen generiert und damit für Forschung und Industrie eine Technologie der nächsten Generation bietet, wurde zwar schon viel diskutiert, die Umsetzung hinkt aber hinterher. Bislang standen der Erzeugung kohärenter Gammaphotonen grundsätzliche mechanische oder technologische Hürden im Weg. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts GAMMALAS (Towards gamma-ray lasers via super-radiance in a Bose-Einstein condensate of 135mCs isomers) entwickelte eine Forschergruppe nun eine Methode zur Erzeugung kohärenter Gammaphotonen und räumte damit einige der bislang schwierigsten Probleme aus. Kühlungsverfahren für Gammastrahlenemissionen Für die Neuentwicklung eines solchen Geräts griff GAMMALAS auf bestehende Technologien zurück. „Der Ansatz beruht auf Laserkühlung und magnetooptischem Einfangen von Cäsiumkernen. Im Gegensatz zu anderen möglichen Elementen eignet sich Cäsium für die vorgeschlagene Technik sehr gut”, sagt Prof. Ferruccio Renzoni. „Wir wollten also ein Bose-Einstein-Kondensat aus Cäsium-Isomeren herstellen, die auf 100 Nano-Kelvin heruntergekühlt werden. Ab diesen extrem niedrigen Temperaturen zeigen Atome mit angeregten Kernen reine Quanteneigenschaften, insbesondere räumliche Kohärenz”, wie Prof. Renzoni weiter erklärt. „In diesem Zustand emittieren angeregte Kerne ihre Energie gleichzeitig und induzieren damit einen starken Burst kohärenter Gammastrahlung.” Mit dieser Strategie umgehen die Forscher drei Hauptprobleme: die Akkumulation vieler isomerer Kerne, die Verengung der Emissionslinie des Laserstrahls und die Überschreitung der theoretischen Begrenzung der Photonendichte. Weiterhin errichtete GAMMALAS am Accelerator Laboratory der Universität Jyväskylä in Finnland eine Versuchsanlage zur Laserkühlung radioaktiver Cäsiumisotopen und Erzeugung kohärenter Gammastrahlung. Dort erzeugt ein Zyklotron-Teilchenbeschleuniger instabile Cäsiumkerne. Das Cäsium wird dann neutralisiert, indem über den Einsatz dünner Folien ein externes Elektron hinzugefügt wird. Das neue Lasersystem fängt Cäsium-135- und andere gewünschte Isotope ab und kühlt sie auf etwa 150 Mikro-Kelvin ab. Bei ordnungsgemäßem Ablauf ist der erste Test für das Einfangen von Cäsium-135 gegen Ende des Frühjahrs 2018 geplant. Der ultimative Laser Mit der Erzeugung kohärenter Gammaphotonen können sich Forscher künftig mehreren physikalischen Schwerpunktthemen und allgemeinen wissenschaftlichen Fragen genauer widmen. So eröffnet die bahnbrechende Technologie spannende neue Möglichkeiten. „Die Ergebnisse von GAMMALAS ebnen den Weg für weitere Forschungen zu ultrakalter Kernmaterie, einem Fachgebiet, das Atom- und Kernphysik kombiniert. Zudem können mit kohärenten Gammastrahlen hochaufgelöste gammaspektroskopische Untersuchungen durchgeführt und gefährliche, explosive oder radioaktive Isotopen aufgespürt werden”, schließt Prof. Renzoni. Kohärente Gammastrahlung könnte auch eine Reihe nützlicher Alltagsanwendungen vereinfachen, etwa ultrapräzise Bildgebung, die die Anwendung stereotaktischer Strahlentherapien wesentlich voranbringen könnte, um Hirntumoren deutlich effektiver zu behandeln. Auch für den Energiesektor lassen sich nach Bedarf kohärente Gammaphotonen erzeugen. So kann Energie, die in isomeren Kernen gespeichert und freigesetzt wird, Batterietechnologien revolutionieren und die Leistung um mehrere Größenordnungen steigern.

Schlüsselbegriffe

GAMMALAS, Cäsium, Gammastrahlenlaser, kohärente Gammastrahlung, Isomere, Laserkühlung, Gammaspektroskopie, Strahlentherapie

Towards gamma-ray lasers via super-radiance in a Bose-Einstein condensate of 135mCs isomers

Weiterer Fortschritt hin zur Entwicklung von Gammastrahlenlasern

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