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Startschuss für JuSPARC: Forschungszentrum Jülich nimmt Hochleistungslaser in Betrieb

Jülich, 25. Januar 2019 – Am Forschungszentrum Jülich wurde gestern ein neues Laserlabor eingeweiht. Herzstück von JuSPARC sind zwei Höchstleistungslaser, deren ultrakurze Laserpulse eine Leistung von bis zu 1,4 Terawatt – das sind 1,4 Billionen Watt – erreichen, was in etwa der Hälfte des durchschnittlichen weltweiten Stromverbrauchs entspricht. Die Laser erbringen diese Leistung allerdings nur für kurze Zeit. Ihre Blitze sind auf bis zu 30 Femtosekunden – das 30 Millionstel einer Milliardstelsekunde – komprimiert. Die durchschnittliche Leistung ist damit nicht höher als die eines gewöhnlichen Haushaltsgeräts. Die Forscher wollen mit der Anlage ultraschnelle physikalische Prozesse untersuchen und erhoffen sich wichtige Fortschritte bei der Suche nach neuen Materialien für die Informationstechnologie.

Thales-Laser im Laserlabor JuSPARCExtrem leistungsstark: Thales-Laser im Laserlabor JuSPARC.
Copyright: Forschungszentrum Jülich / R.-U. Limbach

„Mithilfe von JuSPARC kann man beispielsweise besser verstehen, wie sich Spins – also die Eigendrehimpulse von Teilchen – in Halbleitern und bestimmten Metallen verhalten“, erklärt Prof. Markus Büscher vom Jülicher Peter Grünberg Institut (PGI-6). „Auf diese Weise kann man herausfinden, welche Materialien sich für schnellere und energieeffizientere Datenspeicher eignen“, so Büscher.

Die Laser erzeugen stark komprimierte Lichtpulse, die Prozesse in den untersuchten Materialien anstoßen. Ein Teil der Lichtpulse wird dabei abgezweigt, in Röntgenlicht umgewandelt und zur Analyse der Prozesse genutzt. „Dabei zahlt sich die hohe Schussrate der Laser aus. 10 Millionen Pulse pro Sekunde kann die Anlage theoretisch erzeugen und mit diesem ‚Dauerfeuer‘ auch ultraschnelle Prozesse wie das Umklappen von Spins aufzeichnen“, erläutert Markus Büscher.

Auch für viele andere Forschungsfelder kann das „Jülich Short-Pulsed Particle and Radiation Center“ (JuSPARC) interessant sein, etwa um Reaktionen komplexer Biomoleküle zu untersuchen, oder für die Festkörper- und Energieforschung. Die Laser könnten zum Beispiel dabei helfen, elementare Prozesse in Katalysatoren, Solar- und Brennstoffzellen besser zu verstehen -- und so einen wesentlichen Beitrag dazu leisten, verbesserte Materialien zu entwickeln.

Forscher am Thales-Laser im Laserlabor JuSPARC.Die Forscher hoffen auf wichtige Erkenntnisse für neue Materialien.
Copyright: Forschungszentrum Jülich / R.-U. Limbach

Der erste der beiden Laser stammt von der Firma Thales und ist bereits seit wenigen Wochen in Betrieb. Derzeit werden die ersten Experimente im Reinraum der Anlage aufgebaut, genauso wie der zweite Laser des Produzenten Amphos. Das Laserlabor wird zunächst Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern an verschiedenen Instituten des Forschungszentrums Jülich offenstehen. Für die kommenden ein bis zwei Jahre ist der Ausbau zu einer Nutzerplattform geplant, die dann auch Forschern anderer Einrichtungen zur Verfügung steht.

Für den Ausbau von JuSPARC stehen 5 Millionen Euro aus dem Struktur- und Entwicklungsfonds des Forschungszentrums zur Verfügung – ergänzt durch 3,2 Millionen Euro aus dem ATHENA-Projekt der Helmholtz-Gemeinschaft. Mit der ATHENA-Förderung will das JUSPARC-Team einen der beiden Laser in den kommenden Jahren zu einem laserbasierten Teilchenbeschleuniger ausbauen. Ein solch kompakter Teilchenbeschleuniger, der auf gerade einmal zwei Labortische passt, würde es ermöglichen, weitere neue Fragestellungen anzugehen.

2 Turbolaser in Zahlen

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

Weitere Informationen:

Beitrag „Laser für alle!“

Peter Grünberg Institut, Elektronische Eigenschaften (PGI-6)

Weltweiter Stromverbrauch im Jahr 2016: 20 863 TWh, was einer durchschnittlichen Leistung von 2,4 TW (2,4 Billionen Watt) entspricht (Quelle: Electricity Information 2018, International Energy Agency, ISBN 978-92-64-30120-7)

Das Athena-Projekt

Mit ATHENA bündelt die Helmholtz-Gemeinschaft die Beschleuniger-Expertise von sechs ihrer 18 Forschungseinrichtungen. Diese tragen ihre wissenschaftlichen Erkenntnisse zusammen, um kompakte und innovative Plasmabeschleuniger in zwei deutschen Leuchtturmprojekten aufzubauen. Am DESY in Hamburg soll dafür ein Elektronen- und am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf ein Hadronenbeschleuniger entwickelt werden. Mit JuSPARC trägt Jülich dabei Erkenntnisse für das Feld der Elektronenbeschleunigung bei. Zugleich ermöglicht ATHENA es dem Forschungszentrum, die JuSPARC-Laser zu Teilchenbeschleunigern weiterzuentwickeln. Das PGI-6 und das IKP entwickeln dazu gemeinsam polarisierte Quellen, die für diese Beschleunigung geeignet sind.

Ansprechpartner:

Prof. Dr. Markus Büscher
Peter Grünberg Institut - Elektronische Eigenschaften (PGI-6)
Tel. 02461 61-6669
E-Mail: m.buescher@fz-juelich.de

Pressekontakt:

Angela Wenzik, Wissenschaftsjournalistin
Forschungszentrum Jülich
Tel.: 02461 61-6048
E-Mail: a.wenzik@fz-juelich.de