Wenn ein Laser auf Materie trifft …

Was aussieht wie eine von Nebelschwaden durchzogene Seifenblase, ist tatsächlich ein Gemisch aus geladenen Teilchen – ein Plasma. Dieses Bild entsteht, wenn ein hochintensiver Laserpuls auf ein kleines Kügelchen aus Plastik trifft. Durch die hohe Intensität reißt der Puls die Elektronen aus den Atomen, schließt sie in ein elektromagnetisches Feld ein und treibt sie extrem schnell vorwärts. Die blau gefärbten Bereiche im Bild zeigen die Verteilung der Ionen: entlang der kreisförmigen Kante und der horizontalen "Nebelschwaden" hin zu der kleinen intensiv farbigen Ansammlung auf der rechten Seite. Die schwereren Ionen folgen dem elektrischen Feld der Elektronen. Diesen Prozess komplett zu erfassen, stellt die meisten 3D-Simulationen vor eine große Herausforderung.

Die Forscher vom HZDR durften einen der schnellsten Computer der Welt – den "Titan" am Oak Ridge National Laboratory im US-Bundesstaat Tennessee – nutzen, um die Beschleunigung von Ionen zu modellieren. Erstmals simulierten sie dabei eine neue experimentelle Technik basierend auf einer sogenannten "Paulfalle". Dabei schwebt das Materialstück, das mit dem Laser beschossen werden soll, frei im Vakuum. Bei sonst üblichen Experimenten wird die Probe mit einer kleinen Halterung am Platz befestigt, was allerdings die Vorgänge beeinflusst und die Ergebnisse verzerrt. Mit der Paulfalle umgeht man dieses Problem.

Wie die Simulation zeigte, heizt der Laser das Plastikstück auf. Das frei schwebende Material vergrößert sich dabei um das Siebenfache. Während der Expansion fällt die Dichte des Materials um ein Vielfaches, wodurch es transparent für den einfallenden Laserpuls wird. Dadurch kann der Laser mit deutlich mehr Elektronen interagieren. Die resultierende hohe Elektronenenergie überträgt sich wiederum auf die Ionen.

Die Ergebnisse der Simulation bestätigen die Resultate aus Experimenten. Indem sie die grundlegende Physik hinter der lasergetriebenen Teilchenbeschleunigung mit Hilfe solcher Simulationen entschlüsseln, hoffen die Forscher, grundlegende Prozesse zu optimieren. Ein verbessertes Verständnis der Wechselwirkungen zwischen dem Laserpuls und den Teilchen könnte in Zukunft zu günstigeren und kompakteren Teilchenbeschleunigern führen, wovon unter anderem die Krebsbehandlung mit Protonen oder Ionen profitieren würde.

Bild: Axel Hübl, HZDR (Simulation); Peter Hilz, LMU (Experiment); Michael Matheson, ORNL (Visualisierung)

Simon Schmitt (HZDR), Franziska Roeder (Helmholtz)