ACHIP: Elektronenbeschleunigung mit Laserstrahlung

Accelerator on a Chip International Program — ACHIP

 

 

ACHIP, das großzügig von der Gordon and Betty Moore Foundation finanziert und im November 2015 gestartet wurde, wird von Stanford und unserer Gruppe an der FAU geleitet. Hier ein Link zur Stanford-ACHIP-Website. Neben Stanford und FAU sind die folgenden Gruppen Mitglieder von ACHIP:

DESY (R. Assmann, I. Hartl)
EPFL (L. Rivkin)
Hamburg University (F. Kaertner)
PSI (R. Ischebeck)
Purdue University (M. Qi)
SLAC (J. England, S. Tantawi)
Stanford University (B. Byer, S. Fan, J. Harris, O. Solgaard, J. Vuckovic)
Tech-X (B. Cowan)
TU Darmstadt (O. Boine-Frankenheim)
UCLA (P. Musumeci)
Industriepartner: Hamamatsu Photonics

Teilchenbeschleuniger auf einem Chip: Dielektrische Laser Beschleuniger

Teilchenbeschleuniger sind spannende Forschungswerkzeuge, die energetische Teilchenstrahlen liefern, mit denen physikalische Phänomene untersucht werden können, die sonst nicht zugänglich wären. Die enormen Kosten und hohe Nachfrage der Benutzer vieler hochfrequenzbasierter Beschleuniger schränken jedoch ihre Verfügbarkeit ein. Um einen auf der Universitäts-Laborskala zugänglichen Beschleuniger zur Verfügung zu stellen, muss ein neuartiges Beschleunigerdesign entwickelt werden.

Ein solches Design, dessen Entwicklung von der Gordon and Betty Moore Foundation finanziert wird (Pressemitteilung), ist der Dielectric Laser Accelerator oder kurz DLA. DLAs nutzen sowohl die GV/m elektromagnetischen Felder kommerziell verfügbarer Laser als auch die fortschrittlichen Nanofabrikationstechniken der Halbleiterindustrie. Durch die großen verfügbaren elektromagnetischen Felder werden Beschleunigungsgradienten erzeugt, die um das 100-fache über denen konventioneller Hochfrequenz-Beschleuniger liegen. Obwohl DLAs um Größenordnungen kleiner sind als ihre HF-Brüder, ermöglichen DLAs den geladenen Teilchen ähnliche Energiegewinne zu verleihen. Anstatt diese Endenergie jedoch über Meter zu erreichen, übertragen DLAs diese Energie über Millimeter an die Teilchen, was einen Teilchenbeschleuniger im universitären Labormaßstab ermöglicht.

 

Die bei FAU getesteten DLAs arbeiten in einem phasensynchronen Schema wie folgt. Ein einfallender Laserimpuls trifft auf eine nanofabrizierte Beschleunigungsstruktur, die Nahfeldmoden anregt. Elektronen, die sich in unmittelbarer Nähe der Struktur befinden, werden beschleunigt, wenn ihre Geschwindigkeit der Phasengeschwindigkeit einer der Nahfeldmoden entspricht, und sie werden zu einem bestimmten Zeitpunkt in diese Felder injiziert. Diese Synchronitätsbedingung und das allgemeine Prinzip ähneln denen in großen HF-Beschleunigern, und die Strukturen sind so konzipiert, dass sie diese Bedingung erfüllen (siehe Video, das von unseren SLAC-Partnern über den Dual-Gitter-Ansatz produziert wurde).

Ein Laser trifft von oben auf das Siliziumgitter (mit der Strukturperiode und der Gitterhöhe d markiert) und regt die Wanderwellenmode an, die durch die blauen und roten Bereich im unteren Bild dargestellt ist. Ein Elektron (grüner Kreis) bewegt sich nach rechts, surft auf der Wanderwelle die sich ebenfalls nach rechts bewegt. (Bild: FAU/Joshua McNeur)

Bereits jetzt gibt es wiederholte Bestätigungen, dass dieses Beschleunigungsprinzip über einen weiten Bereich von Elektronengeschwindigkeiten (von 15% bis 100% der Lichtgeschwindigkeit) und Lasern funktioniert[1,2,3,4]. Die ACHIP-Kooperation, siehe unten, zielt darauf ab, den Erfolg von DLAs auf die Realisierung eines Beschleunigers auszuweiten. Mehrere Stufen der dielektrischen Laser-basierten Beschleunigung, Fokussierung und Diagnose werden entwickelt und getestet. Insbesondere können weitere dielektrische Elemente integriert werden[4,5], um zusätzlich die räumliche Fokussierung, Steuerung und Bündelung von Elektronenpulsen zu ermöglichen, die wichtige Elemente sind, die einen wesentlichen Werkzeugkasten in jedem Teilchenbeschleuniger bilden.

Eine lasergetriggerte Elektronenkathode, die für den Betrieb mit DLAs geeignet ist, wird schließlich in die mehreren Stufen integriert, was zu einer Strahllinie führt, bei der Elektronen über lasergetriggerte Emission erzeugt und dann abwechselnd beschleunigt, kollimiert und mit sequentiellen DLA-basierten Vorrichtungen diagnostiziert werden. Der komplette Beschleuniger kann wie folgt schematisch dargestellt werden:

Der resultierende Strahl kann als Lichtquelle mit hoher Helligkeit verwendet werden, indem ein Element integriert wird, das den Elektronenstrahl quer zu seiner Bewegungsrichtung periodisch ablenkt und Photonen erzeugt, wenn sich der Strahl abwechselnd nach oben und unten krümmt. Die kompakte Größe einer solchen Anlage und ihrer verschiedenen Komponenten ermöglicht viele spannende Anwendungen, die von tragbaren MeV-Elektronenquellen für die Tumorbestrahlung bis hin zu Free-Elektronenlasern [8] reichen.

Antreiben des Beschleunigers

Es gibt verschiedene Verfahren zur Erzeugung des laserinduzierten Beschleunigungsfeldes in der Nanostruktur. Die Strukturen, die aus zwei Reihen von Siliziumsäulen bestehen, können mit zwei Laserpulsen beleuchtet werden, die auf beiden Seiten der Struktur ankommen.

Wir haben bereits gezeigt, dass es durch Hinzufügen eines verteilten Bragg-Spiegels (DBR) auf einer Seite der Struktur möglich ist, die Struktur mit nur einem Laserpuls effizient zu betreiben. Der DBR reflektiert das einfallende Licht, das innerhalb der Struktur konstruktiv interferiert, was zu einem verstärkten Beschleunigungsfeld führt. Wir konnten mit diesen Strukturen einen Beschleunigungsgradienten von 133 MeV/m nachweisen.

In jüngerer Zeit haben wir die Möglichkeit untersucht, die Struktur von oben, senkrecht zur Chipoberfläche, zu beleuchten. (https://opg.optica.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-29-10-14403&id=450508) Dieser Ansatz vereinfacht das experimentelle Verfahren erheblich, da es nicht mehr notwendig ist, den Laserstrahl (oder sogar zwei Strahlen) genau auf die nur mikrometergroße Struktur von der Seite auszurichten. Da das Feld in vertikaler Richtung nicht mehr invariant ist, könnte dies außerdem die Möglichkeit eröffnen, den Strahl vertikal in der Struktur zu halten.

Phasenraumdynamik in dielektrischen Laserbeschleunigern

Zukunftstechnologien, die notwendig sind, um die Entwicklung der dielektrischen Laserbeschleuniger voranzutreiben, erfordern eine präzise Kontrolle des Phasenraums, den die Elektronen einnehmen.

Eine Möglichkeit ist die Modulation des Längsphasenraums durch ballistische Kompression. In einer ersten Interaktion (rot) wird den Elektronen eine sinusförmige Energiemodulation aufgeprägt. Da die Elektronen nicht relativistisch sind, bewirkt die Geschwindigkeitsdifferenz der Elektronen, dass sie sich während einer definierten Driftdistanz im Raum zusammenschieben. Dies führt zur Bildung eines Zuges von Elektronen Mikropulsen. Diese Längsdichtemodulation wird über eine zweite Interaktion (blau) untersucht. Dort erfahren die Elektronen eine phasenabhängige Energiemodulation. In Kombination mit realistischen numerischen Modellen ermöglicht dies, die Dichteverteilung der Elektronen und somit die Länge Mikropulse zu ermitteln.

Kurze Mikropulse sind notwendig, um Elektronen phasengenau in phasensensitive DLA-Strukturen einzukoppeln, z.B. unter Verwendung der alternierenden Phasenfokussierung (APF). Diese kurzen Elektronenpulse sind darüber hinaus interessante Werkzeuge für die ultraschnelle Physik, um z.B. elektronische Zustände in der Physik der kondensierten Materie zu untersuchen.

Alternating Phase Focusing (APF)

Während sich dielektrische Laserbeschleuniger von ersten Demonstrationsexperimenten zu einer praktikablen Beschleunigertechnologie entwickeln, werden die Herausforderungen bei der Konstruktion eines solchen Beschleunigers immer deutlicher. Ein Problem bei der Beschleunigung eines Partikelstrahls ist die ständige Defokussierung in transversaler Richtung. In klassischen Beschleunigern wird dem entgegengewirkt, indem der Strahl ständig neu fokussiert wird, entweder durch externe Quadrupole oder durch Fokussiermoden im Beschleuniger selbst. Die experimentelle Demonstration der Elektronenstrahlfokussierung mit einem gekrümmten dielektrischen Gitter [5] eröffnete die Möglichkeit, einige dieser Techniken auf dielektrische Laserbeschleuniger zu übertragen. Die theoretische Erforschung neuer Fokussiermethoden für DLA wird an der TU Darmstadt vorangetrieben. In der Simulation konnte die Gruppe um Uwe Niedermayer eine Implementierung der alternierenden Phasenfokussierung in dielektrischen Laserbeschleunigern entwickeln, einer bekannten Technik in klassischen Teilchenbeschleunigern. In unserer gemeinsamen Veröffentlichung [8] stellen wir die theoretische Arbeit vor, wie man einen Elektronenstrahl von 83 keV auf 1 MeV beschleunigen kann, wobei gleichzeitig die meisten Elektronen das Ende der Struktur erreichen. Die experimentelle Demonstration von APF für die Führung von Elektronen in einem sehr kleinen Kanal wurde nun für eine 77 lange Struktur gezeigt [13]. Dabei wird kurz gesagt die Phasenrelation zwischen dem Elektron und dem elektromagnetischen Feld in der Struktur verändert (siehe Bild), indem man kurzzeitig den Abstand zwischen den sonst periodischen Säulen vergrößert. Somit kommt das Elektron, bei ungefähr gleicher Geschwindigkeit, zu einem anderen Zeitpunkt bzw. anderen Amplitude der elektromagnetischen Welle in der Struktur an, sodass auch die Kraft zwischen positiver und negativer transversaler Richtung wechselt. Das sorgt dafür, dass bei einem Bereich zwischen den Säulen Elektronen im Feld das Elektron in den Kanal fokusiert wird und dann im nächsten Abschnitt, bei zu starker Fokussierung in den Kanal, die Kraft umgekehrt und das Elektron wieder in Richtung Rand der Struktur defokusiert wird. Im ständigen Wechsel der Kräfte kann damit der Elektronenstrahl durch einen schmalen Kanal geführt werden. Diese Experimente sind der erste Schritt für die kohärente Beschleunigung von Elektronen in nanophotonischen Strukturen, bei dem die Elektronen gleichzeitig geführt und beschleunigt werden.

Kohärente nanophotonische Beschleunigung

Für die kohärente Beschleunigung mussten wir „nur“ den Beschleunigungseffekt in die Struktur schreiben. Dies wird erreicht, indem wir die Phase zwischen Punkten mit Fokussierungs- und Defokussierungseffekt und der Nettobeschleunigung umschalten. Auf diese Weise konnten wir Elektronen durch einen bis zu 0,5 mm langen und nur 225 nm schmalen Beschleunigungskanal führen und die Ausgangsenergie von 28,4 keV auf 40,7 keV erhöhen. Der relative Energiegewinn beträgt somit 44 % und der Energiegradient der Elektronen 22,7 MeV/m [14]. Die Daten sind in der folgenden Abbildung zu sehen.

 

Diamantbeschichtete Nanospitzen

Die Anforderungen an die Elektronenquelle sind sehr hoch bei Dielektrischen Beschleunigern. Die Geometrie der dielektrischen Strukturen hat direkte Konsequenzen für die benötigte Strahlqualität der zu beschleunigenden Elektronen. Damit die Elektronen nicht mit der Struktur kollidieren, muss die Strahlgröße und -divergenz möglichst klein sein (typischerweise ca. 100 nm Fokusgröße und 1 mrad Divergenz). Zusätzlich sollte die Elektronenpulsdauer kürzer sein als die Laserpulsdauer (sub-ps) und die Anzahl an Elektronen pro Puls möglichst hoch sein, um möglichst viele Elektronen zu beschleunigen. Wegen dieser hohen Anforderungen an die Elektronenquelle forschen wir auch an neuen Elektronenquellen, die diesen Ansprüchen gerecht werden. Ein möglicher Kandidat ist eine mit nanokristallinem Diamant beschichtete Wolframspitze.

Diamant ist ein hochinteressantes Material für Elektronenquellen, da es nicht nur mechanisch robust, chemisch inert und thermisch leitfähig ist, sondern auch eine negative Elektronenaffinität besitzt – wenn die Oberfläche mit Wasserstoff abgesättigt ist. Durch diese Besonderheit hat Diamant eine niedrige Austrittsarbeit und kann eine deutlich höhere Quanteneffizienz zeigen als Materialen mit positiver Elektronenaffinität – d.h. fast alle anderen Materialien. Nach der Herstellung und Charakterisierung von Nanodiamant-beschichteten Wolframspitzen haben wir auch die Fotoemissionsphysik mit ultrakurzen Laserpulsen untersucht. Durch die hohe Photonendichte von Femtosekunden-Laser-Pulsen wird Elektronenemission durch Multiphotonen-Absorption möglich. Wir messen die Anzahl der benötigten Photonen pro emittiertem Elektron bei verschiedenen Wellenlängen und können dadurch spezifische Emissionskanäle im komplizierten Banddiagramm der vorliegenden Heterostruktur identifizieren.

Zusätzlich charakterisieren wir die potentielle Anwendung der beschichteten Spitzen als ultraschnelle Elektronenquellen. Wir beobachten, dass die untere Abschätzung der Brillanz bereits vergleichbar mit heutzutage in z. B. Elektronenmikroskopen verwendeten Quellen ist und die Stabilität sogar besser.

Ponderomotive Interaktion zwischen Laserfeldern und Elektronen und Erzeugung von Attosekunden-Elektronenpulszügen

Eine Alternative zum Erzeugen von Elektronenpulszügen mit Nanostrukturen bietet das rein optische Ponderomotive-Schema zweiter Ordnung, bei dem zwei gekreuzte Laserstrahlen eine optische Welle erzeugen, die entweder stehend oder kopropagierend mit dem Elektronenpuls ist. Freie Elektronen, die auf ein solches transversales Intensitätsgitter treffen, beugen diese überwiegend wie beim Kapitza-Dirac-Effekt oder erhalten einen longitudinalen Impulsübertrag in einem Längsgitter[11]. Im letzteren Fall kann ein relativ langer (~100 fs) Elektronenimpuls in eine Reihe von Attosekundenbündeln mit Längen unter 300 as[12] strukturiert werden. Solche extrem kurzen Elektronenpulse können nicht nur für die Beschleunigung, sondern auch für die ultraschnelle zeitaufgelöste Untersuchung von strukturellen und chemischen Veränderungen in Atomen, Molekülen und Festkörpern interessant sein.

Quellen:

Hier finden Sie eine vollständige Liste unserer Publikationen.

 

[1] J. Breuer and P. Hommelhoff, “Laser-Based Acceleration of Nonrelativistic Electrons at a Dielectric Structure,” Physical Review Letters 111, 134803 (2013)

[2] E. A. Peralta, K. Soong, R. J. England, E. R. Colby, Z. Wu, B. Montazeri, C. McGuinness, J. McNeur, K. J. Leedle, Walz, E. B. Sozer, B. Cowan, B. Schwartz, G. Travish R. L. Byer, “Demonstration of Electron Acceleration in a Laser-Driven Dielectric Micro-Structure,” Nature 503, 7474 (2013).

[3] K. J. Leedle, A. Ceballos, H. Deng, O. Solgaard, R. Pease, R.L. Byer, J. Harris, “Dielectric Laser Acceleration of sub-100 keV Electrons with Silicon Dual Pillar grating Structures,” Optics Letters 40 18 (2015).

[4] J. McNeur, M. Kozak, D. Ehberger, N. Schönenberger, A. Tafel, A. Li, P. Hommelhoff, “A miniaturized electron source based on dielectric laser accelerator operation at higher spatial harmonics and a nanotip photoemitter” J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 49 034006 (2016).

[5] J. McNeur, M. Kozák, N. Schönenberger, K. J. Leedle, H. Deng, A. Ceballos, H. Hoogland, A. Ruehl, I. Hartl, R. Holzwarth, O. Solgaard, J. S. Harris, R. L. Byer, and P. Hommelhoff, “Elements of a dielectric laser accelerator,” Optica 5, 687-690 (2018).

[6] R. J. England, R. J. Noble, K. Bane, D.H. Dowell, C. Ng, J.E. Spencer, S. Tantawi, Z. Wu, R. L. Byer, E. Peralta, K. Soong, C. Chang, B. Montazeri, S.J. Wolf, B. Cowan, J. Dawson, W. Gai, P. Hommelhoff, Y. Huang, C. Jing, C. McGuiness, R. B. Palmer, B. Naranjo, J. Rosenzweig, G. Travish, A. Mizrahi, L. Schachter, C. Sears, G. R. Werner, R. B. Yoder. “Dielectric Laser Accelerators,” Rev. Mod. Phys. 86, 1337 (2014).

[7] P. Yousefi, N. Schönenberger, J. Mcneur, M. Kozák, U. Niedermayer, and P. Hommelhoff, „Dielectric laser electron acceleration in a dual pillar grating with a distributed Bragg reflector,“ Opt. Lett. 44, 1520-1523 (2019).

[8] U. Niedermayer, T. Egenolf, O. Boine-Frankenheim, and P. Hommelhoff, „Alternating-Phase Focusing for Dielectric-Laser Acceleration“ ,Phys. Rev. Lett. 121, 214801, (2018).

[9] A. Tafel, M. Wu, E. Spiecker, P. Hommelhoff, J. Ristein, “Fabrication and structural characterization of diamond-coated tungsten tips,” Diamond and Related Materials, 97 107446 (2019).

[10] A. Tafel, S. Meier, J. Ristein, and P. Hommelhoff, “Femtosecond Laser-Induced Electron Emission from Nanodiamond-Coated Tungsten Needle Tips,” Phys. Rev. Lett. 123, 146802 (2019).

[11] M. Kozák, T. Eckstein, N. Schönenberger & P. Hommelhoff „Inelastic ponderomotive scattering of electrons at a high-intensity optical travelling wave in vacuum,“ Nat. Phys. 14, 121 (2017).

[12] M. Kozák, N. Schönenberger, and P. Hommelhoff, “Ponderomotive Generation and Detection of Attosecond Free-Electron Pulse Trains,”, Phys. Rev. Lett. 120, 103203 (2018).

[13] Shiloh, R., Illmer, J., Chlouba, T., Yousefi, P., Schoenenberger, N., Niedermayer, U., Mittelbach, A., and Hommelhoff, P., „Electron phase-space control in photonic chip-based particle acceleration“ Nature 597, 498–502 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03812-9

[14] T. Chlouba, R. Shiloh, S. Kraus, L. Brückner, J. Litzel and P. Hommelhoff, „Coherent nanophotonic electron accelerator“ Nature 622, 476–480 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06602-7

 

Alle Abbildungen dürfen verwendet werden, wenn ordnungsgemäß zitiert.

Diese Veröffentlichung ist online kaum zu finden; wir erlauben uns, das pdf hier bereitzustellen: A. Lohmann, Electron Acceleration by Light Waves, IBM Technical Note 5, p. 169, 1962.