Laser-Durchbruch in Dalian: Chinas Sprung nach vorn bei extrem-ultravioletten Freie-Elektronen-Lasern

Chinas Dalian Advanced Light Source erzielt wichtigen Laser-Meilenstein

In einem wegweisenden Erfolg für Wissenschaft und Technologie weltweit haben chinesische Forscher in Dalian in der Provinz Liaoning erstmals einen Elektronenstrahl mit einer Wiederholrate von einem Megahertz betrieben. Dieser Durchbruch ist ein entscheidender Schritt für das Projekt Dalian Advanced Light Source (DALS), eine Freie-Elektronen-Laseranlage (FEL) der nächsten Generation für extrem ultraviolettes Licht (EUV). Der Erfolg festigt nicht nur Chinas Position an der Spitze der Entwicklung moderner Lichtquellen, sondern eröffnet auch neue Perspektiven für die Forschung in Physik, Chemie, Biologie und Materialwissenschaften.

Was ist die Dalian Advanced Light Source, und warum ist sie wichtig?

Die Dalian Advanced Light Source ist als hochmoderne wissenschaftliche Anlage konzipiert, die mithilfe der Freie-Elektronen-Lasertechnologie extrem helle, kohärente EUV-Lichtstrahlen erzeugen soll. Anders als herkömmliche Laser nutzen FELs schnelle Elektronenstrahlen, die magnetische Strukturen (sogenannte Undulatoren) durchlaufen, um Licht mit Wellenlängen zu erzeugen, die mit herkömmlichen Verfahren nicht erreichbar sind. Dadurch eignen sich FELs besonders gut, um die mikroskopische Welt auf atomarer und molekularer Ebene zu untersuchen. Ihre Anwendungen reichen von der Grundlagenphysik bis zur fortgeschrittenen Fertigung und den Biowissenschaften.

Das DALS-Projekt wird von Akademiemitglied Yang Xueming und dem Forscher Zhang Weiqing vom Dalian Institute of Chemical Physics (DICP) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften geleitet. Der jüngste Erfolg ihres Teams, stabile Elektronenstrahlen mit hoher Wiederholrate zu erzeugen, löst eine der größten technischen Herausforderungen beim Bau von FEL-Anlagen. Als erste FEL-Nutzeranlage in China und weltweit einzige, die ausschließlich im EUV-Bereich arbeitet, dürfte DALS zu einem Eckpfeiler wissenschaftlicher Entdeckungen und technologischer Innovation werden.

Freie-Elektronen-Laser verstehen

Freie-Elektronen-Laser werden oft als „vierte Generation“ moderner Lichtquellen bezeichnet. Anders als herkömmliche Laser, die bestimmte Materialien zur Lichterzeugung benötigen, nutzen FELs Elektronenströme, die auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden. Wenn diese Elektronen Undulatoren durchlaufen, geben sie Licht ab, dessen Wellenlänge sich über einen breiten Bereich von Infrarotlicht bis zu Röntgenstrahlung einstellen lässt. Diese Flexibilität ermöglicht es FELs, ultrakurze Pulse mit extrem hoher Brillanz zu erzeugen. So können sie ultraschnelle Prozesse abbilden und Strukturen auf atomarer Ebene auflösen.

Die Dalian Coherent Light Source (DCLS), eine Vorläuferanlage von DALS, hat die Leistungsfähigkeit von FELs bereits unter Beweis gestellt: Sie liefert optische Strahlen im Wellenlängenbereich von 50 bis 150 nm mit Pulsdauern von nur 100 Femtosekunden (einem Billiardstel einer Sekunde). Damit können Wissenschaftler elektronische Dynamiken, die Entwicklung von Molekülen und Phasenübergänge in Materialien in Echtzeit beobachten.

Wie gelang der Durchbruch?

Der jüngste Meilenstein in Dalian ist das Ergebnis jahrelanger gemeinsamer Arbeit und technologischer Innovation. Seit dem Start des Projekts im Jahr 2020 arbeiten das DICP und das Institut für moderne Lichtquellenanlagen in Shenzhen zusammen an einer Reihe von Schlüsseltechnologien, die für den Betrieb eines FEL erforderlich sind. Dazu gehören:

• Eine Photoemissions-Elektronenkanone zur Erzeugung hochwertiger Elektronenstrahlen
• Ultraschnelle Lasersysteme für präzise Zeitsteuerung und Kontrolle
• Festkörper-Hochfrequenzquellen für eine stabile Beschleunigung
• Supraleitende Beschleunigermodule für den Dauerstrichbetrieb
• Kryogene Helium-Kühlsysteme zur Aufrechterhaltung der Supraleitung

Elektronenstrahlen mit einer Wiederholrate von einem Megahertz (einer Million Zyklen pro Sekunde) zu erzeugen, ist besonders anspruchsvoll, da sowohl Stabilität als auch Qualität gewährleistet sein müssen. Der Erfolg zeigt, dass das Team in Dalian die zentralen Schlüsseltechnologien für FELs der nächsten Generation beherrscht.

Nach Angaben des Forschungsteams „legt dieser Erfolg eine solide Grundlage für den weiteren Aufbau des Projekts“ und ist ein wichtiger Schritt in Chinas umfassenderen Bemühungen, modernste FEL-Anlagen voranzubringen.

Wissenschaftliche und technologische Bedeutung: Warum FELs alles verändern

Freie-Elektronen-Laser wie DALS revolutionieren die wissenschaftliche Forschung, indem sie Werkzeuge bereitstellen, die zuvor undenkbar waren. Mit ihrer Fähigkeit, kohärentes, abstimmbares und extrem helles Licht im EUV- und Röntgenbereich zu erzeugen, ermöglichen sie Wissenschaftlern:

• Struktur und Dynamik von Molekülen und Materialien mit atomarer Auflösung zu untersuchen
• Ultraschnelle chemische Reaktionen und biologische Prozesse in Echtzeit zu erforschen
• Fortschrittliche Bildgebungsverfahren für Medizin und Materialwissenschaften zu entwickeln
• Die Halbleiterfertigung der nächsten Generation durch EUV-Lithografie zu unterstützen

Die Dalian Coherent Light Source hat beispielsweise Experimente in der molekularen Photochemie, der Aerosol-Massenspektrometrie und der biologischen Massenspektrometrie ermöglicht. Durch den Einsatz von EUV-Laserstrahlen in der hochauflösenden Massenspektrometrie können Forscher komplexe Biomoleküle effizient aufspalten und detaillierte Informationen über deren Struktur gewinnen. Das bringt Bereiche wie die Proteomik und die Arzneimittelforschung voran.

Chinas strategische Vision für die FEL-Technologie

China hat die FEL-Technologie zu einer strategischen Priorität für die wissenschaftliche und technologische Entwicklung erklärt. Nationalen Entwicklungsstrategien zufolge will das Land bis 2035 Durchbrüche bei langwelligen FELs, Röntgen-FELs und EUV-Lichtquellen auf FEL-Basis für die Lithografie erzielen. Unterstützt werden diese Bemühungen durch höhere Investitionen in die Grundlagenforschung, die Zusammenarbeit verschiedener Akteure und den Fokus auf eigenständige Innovation.

Das Dalian Institute of Chemical Physics blickt insbesondere auf eine lange Geschichte wegweisender Forschung in den Bereichen Katalyse, Chemieingenieurwesen und Lasertechnologie zurück. Seine führende Rolle im DALS-Projekt spiegelt Chinas Engagement wider, eine wissenschaftliche Infrastruktur von Weltrang aufzubauen und eine neue Generation wissenschaftlicher Talente zu fördern.

Vergleich von DALS mit Lichtquellenanlagen weltweit

Weltweit haben mehrere moderne Lichtquellenanlagen die Forschung in Strukturbiologie, Materialwissenschaften und Chemie verändert. Zu den bekannten Beispielen zählen die Swiss Light Source und SwissFEL in der Schweiz, die Hochdurchsatzstudien an Makromolekülen mit hoher Auflösung ermöglicht haben. Das DALS-Projekt nimmt jedoch eine besondere Stellung ein: Als EUV-FEL-Anlage mit Dauerstrichbetrieb und hoher Wiederholrate bietet es Möglichkeiten, die bestehende Synchrotron- und FEL-Quellen ergänzen und erweitern.

Die meisten FEL-Anlagen weltweit arbeiten im Röntgen- oder weichen Röntgenbereich, während DALS für die Erzeugung kohärenten EUV-Lichts mit außergewöhnlicher zeitlicher und räumlicher Auflösung ausgelegt ist. Dadurch eignet sich die Anlage besonders für die Untersuchung von Prozessen, an denen Valenzelektronen beteiligt sind, sowie für Anwendungen in der fortgeschrittenen Fertigung, etwa die EUV-Lithografie für die Halbleiterproduktion.

Weiterreichende Folgen für Wissenschaft, Industrie und Gesellschaft

Die erfolgreiche Entwicklung von DALS hat weitreichende Folgen, die über die Grundlagenforschung hinausgehen. Im Bereich sauberer Energie und Umwelttechnologie hat das Dalian Institute of Chemical Physics bereits mit Innovationen in Katalyse, Chemieingenieurwesen und Energiespeicherung eine führende Rolle bewiesen. Die fortschrittlichen Möglichkeiten von DALS werden die Forschung in diesen Bereichen weiter stärken: Sie ermöglichen die Entwicklung effizienterer Katalysatoren, die Untersuchung von Energieumwandlungsprozessen und die Entwicklung neuer Materialien für nachhaltige Technologien.

In der Industrie sind EUV-Lichtquellen auf FEL-Basis entscheidend für die Halbleiterfertigung der nächsten Generation. Da Chiphersteller die Grenzen der Miniaturisierung verschieben, ist die EUV-Lithografie für die Produktion kleinerer, schnellerer und energieeffizienterer integrierter Schaltkreise unverzichtbar geworden. Indem China die Schlüsseltechnologien hinter FELs beherrscht, positioniert es sich als führender Akteur in der globalen Halbleiter-Lieferkette.

Ausbildung der nächsten Generation von Wissenschaftlern und Ingenieuren

Großforschungsanlagen wie DALS dienen auch als Ausbildungsstätten für junge Wissenschaftler und Ingenieure. Durch ihre Beteiligung an Spitzenforschung und technologischer Entwicklung sammeln Studierende und Nachwuchsforscher wertvolle Erfahrungen, die sie auf Führungsaufgaben in Wissenschaft, Industrie und Verwaltung vorbereiten. Diese Talentpipeline ist unverzichtbar, um Innovationen dauerhaft zu sichern und Chinas Spitzenposition in der wissenschaftlichen Forschung zu behaupten.

Herausforderungen und weitere Schritte

Trotz des jüngsten Durchbruchs bleiben beim Bau und Betrieb der Dalian Advanced Light Source erhebliche Herausforderungen bestehen. Stabile Elektronenstrahlen hoher Qualität bei Megahertz-Wiederholraten erfordern kontinuierliche Fortschritte in der Beschleunigertechnologie, Kryotechnik und bei Steuerungssystemen. Zudem wird es entscheidend sein, die Anlage in die breitere Wissenschaftsgemeinschaft einzubinden und Forschern offenen Zugang zu ermöglichen, um ihre Wirkung zu maximieren.

Chinas nationale Strategie für die FEL-Technologie betont die Bedeutung dauerhafter Investitionen, der Zusammenarbeit zwischen mehreren Institutionen und der Überführung wissenschaftlicher Erfolge in praktische Anwendungen. Auf dem Weg vom Prototyp zum vollständigen Betrieb wird DALS als Vorbild für künftige wissenschaftliche Großprojekte in China und weltweit dienen.

Zusammenfassung

• Chinesische Wissenschaftler haben in Dalian weltweit erstmals einen Elektronenstrahl stabil mit einer Wiederholrate von einem Megahertz betrieben. Das ist ein wichtiger Meilenstein für das Projekt Dalian Advanced Light Source (DALS).
• DALS ist eine EUV-Freie-Elektronen-Laseranlage der nächsten Generation, die extrem helles, kohärentes Licht für Spitzenforschung in Physik, Chemie, Biologie und Materialwissenschaften bereitstellen soll.
• Der Durchbruch wurde durch Fortschritte bei Photoemissions-Elektronenkanonen, ultraschnellen Lasern, supraleitenden Beschleunigern und Kryosystemen ermöglicht, die in Zusammenarbeit zwischen dem Dalian Institute of Chemical Physics und Partnern in Shenzhen entwickelt wurden.
• Freie-Elektronen-Laser wie DALS revolutionieren die wissenschaftliche Forschung und industrielle Anwendungen, darunter die Halbleiterfertigung und die Technologie für saubere Energie.
• Chinas strategischer Fokus auf die FEL-Technologie soll dem Land eine führende Position bei modernen Lichtquellen sichern, Innovationen fördern und die nächste Generation wissenschaftlicher Talente ausbilden.