Erzeugung von Sub-Picosekunden Elektronenpaketen durch starke THz-Felder für Hochfeld- Elektronenbeschleunigung und ultraschnelle Elektronen-beugende Bildgebung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Franz Xaver Kärtner
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 405983224

Hochbrilliante, beschleunigerbasierte Elektronenquellen haben entscheidend zum Gebiet der “Atomar aufgelösten Strukturdynamik” beigetragen. Sie ermöglichen die direkte Beobachtung der atomaren Bewegung bei Strukturumwandlungen [Siwick’03, Dwyer’06, Zewail’06]. Eine Zeitauflösung im Femtosekundenbereich ermöglicht die Beobachtung schnellster Bewegungen von Atomkernen während chemischer und biologer Reaktionen. Dies erfordert sehr kurze Elektronenpulse, welche eng mit optischen von Pump- und Abfrage-Pulsen synchronisiert sind. Raumladungseffekte stellen hier eine besondere Herausforderung dar, da sie die Elektronenpulse verbreitern. Eine Reduktion der Ladung der Elektronenpulse kann diese vermeiden [Baum’13]. Um dann ein genügend hohes Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu erhalten, muss die Pulswiederholrate aber erhöht werden, was eventuell nicht kompatibel mit den Proben ist, insbesondere bei organischen Proben. Moderne Hochfrequenzbeschleuniger arbeiten bei einer Wellenlänge von mehreren Zentimetern und erreichen Beschleunigungsfelder bis zu 100 MV/m, begrenzt durch Felddurchbruch in den Materialien. Die Verwendung von THz-Wellen ermöglicht höhere Beschleunigungsfelder und auch höhere Feldgradienten in kleineren Strukturen, was die Kompression der Elektronenpulse erhöht und die Zeit, in der die Elektronen sich nicht relativistisch bewegen, verkürzt [Siwick’03]. Die dazu notwendigen THz-Pulse können optisch erzeugt werden, was Jitter zwischen dem Beschleuniger und Lasersignalen bis in den Femtosekundenbereich eliminert [Gao’12, Chatelain’12]. Darüber hinaus sind die notwendigen Infrastrukturmaßnahmen für eine THz-basierte Elektronenquelle wesentlich geringer als für eine auf Hochfrequenz basierte Quelle.In diesem Projekt werden kurze Elektronenpulse für die ultrakurze Elektronenbeugung (UED) mit einer Zeitauflösung von unter 100 fs erzeugt. Dies erfolgt mittels THz getriebener kompakten Beschleuniger. Die Grundlagen für dieses Projekt wurden sowohl durch Vorarbeiten der beiden Gruppen im Bereich der hocheffizienten Erzeugung von THz-pulsen [Bodrov'13, Wu’14, Vicario'14, Vicario'15, Wu'16, Ahr'17] als auch der Theorie von Hochfeldbeschleunigungsstrukturen [Kuzikov'10, Kuzikov'16] und “Proof-of-principle” Demonstrationen von THz – Photoinjektoren [Huang’16] und Linearbeschleunigern [Nanni’15] gelegt. Vor Kurzem konnte das deutsche Team experimentell zeigen, dass starke THz-felder zur Beschleunigung, Kompression, Fokussierung und Diagnose von kurzen Elektronenpulsen und Synchronization im 1-100 fs Bereich möglich sind. Diese Technologien werden hier vorangetrieben, um die Zeitauflösung in UED-Experimenten weiter zu erhöhen. Die Neuentwicklung soll auf die Problematik von Metall-Isolator Phasenübergängen in Vanadium-Oxid [O'Callahan'14] sowie auf ultraschnelle Vorgänge in Proteinen in der DNA im Zeitbereich von 10fs angewendet werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Russische Föderation
• Partnerorganisation: Russian Science Foundation
• Mitverantwortliche: Dr. Arya Fallahi; Nicholas H. Matlis, Ph.D.; Dongfang Zhang, Ph.D.
• Kooperationspartner: Professor Dr. Andrey Stepanov