Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Mit geballtem Licht auf Diamantatome

06.08.2015

Ein internationales Physikerteam hat mit Hilfe von Nanoröhrchen Laserpulse so modifiziert, dass ihre Kraft gezielter auf Kohlenstofffolien wirkt. Damit verbessern die Forscher die für den medizinischen Einsatz aussichtsreiche, lichtgetriebene Ionenstrahlung.

Licht-Materie-Wechselwirkung an Kohlenstofffolien könnte der Schlüssel zu einer neuen Ära in der Ionenbeschleunigung für medizinische Anwendungen sein.


Ein Laserstrahl trifft auf eine Schicht aus Nanoröhrchen. Die Nanoröhrchen fokussieren das Licht auf die dahinter liegende Kohlenstofffolie. Aus ihr werden so Ionen herausgelö

Isabella Cortrie

Ein internationales Team unter der Führung von Physikern des Exzellenzclusters Munich-Centre for Advanced Photonics (MAP) an der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) und am Max-Planck-Institut für Quantenoptik hat nun die aussichtsreiche Technik der Lichtdruck-Beschleunigung weiter verbessert. Mit ihr gewinnt man aus extrem starken Laserblitzen Ionenpulse.

Die Forscher haben erstmals die hauchdünnen Folien aus diamantartigem Kohlenstoff mit Nanoröhrchen bedampft. Sie fungieren bei Bestrahlung mit starken Laserpulsen als Linse und fokussieren den Laser stärker als bisher auf die Kohlenstofffolie. Die Folge davon ist, dass Ionen weitaus höhere Energien aufnehmen als bisher. Damit werden erste Strahlenexperimente mit Kohlenstoff-Ionen an Zellen möglich und ein medizinischer Einsatz der lichtgetriebenen Ionenstrahlung greifbar.

Licht verfügt über enorme Kräfte. Treffen etwa hochintensive Laserpulse auf hauchdünne, diamantartige Folien aus Kohlenstoff, lösen sie Ionen heraus und beschleunigen diese auf rund zehn Prozent der Lichtgeschwindigkeit.

Es entsteht Ionenstrahlung, getrieben durch den Strahlungsdruck der ultrakurzen Laserpulse. Ionenstrahlung kann zur Behandlung von Tumoren in der Krebstherapie eingesetzt werden, wenn sie über genug Energie verfügt. Aktuell wird diese hochenergetische Strahlung von großen, kostenintensiven Beschleunigern erzeugt.

Die Lasertechnologie ist noch nicht in der Lage, eine ebenbürtige Strahlung zu erzeugen. Aber sie hat das Potential die notwendige Technologie für den medizinischen Einsatz der Ionenstrahlung künftig kostengünstiger und platzsparender zur Verfügung zu stellen.

Um dies zu erreichen haben die Laserphysiker zwei Optionen: zum einen müssen sie die Intensität der Laserpulse erhöhen. Und zum anderen müssen sie ihre Intensität so kompakt zusammenballen, dass der Puls extrem fokussiert und mit voller Wucht auf die Kohlenstofffolien auftrifft. Letzteres haben nun die MAP-Physiker getan.

Die auf die Kohlenstofffolien auftreffenden Laserpulse dauern nämlich rund 50 Femtosekunden (eine Femtosekunde ist ein Millionstel einer milliardstel Sekunde) und bestehen aus rund 20 Lichtwellenschwingungen. Das heißt: die in dem Puls gespeicherte elektromagnetischen Kräfte kommen nicht geballt zu einem bestimmten Zeitpunkt auf der Kohlenstofffolie an, sondern der Lichtdruck auf die Ionen wird verhältnismäßig langsam gesteigert bis er ein Maximum erreicht. Erst dann schlägt er die Ionen aus der Folie heraus. Über den gesamten Prozess geht viel Energie verloren.

Im MAP-Service-Centre wurden nun die diamantartigen Kohlenstofffolien, die Grundlage für die ersten Studien zur Strahlungsdruckbeschleunigung vor fünf Jahren waren, mit einer Mikrometer dünnen Schicht aus Nanoröhrchen bedampft. Diese Röhrchen liegen ungeordnet auf der Folie, wie etwa Stroh in einem Heuhaufen.

Die Röhrchen haben zur Folge, dass die Leistung des auftreffenden Laserpulses beim Durchgang so gebündelt wird, dass ihre Kraft augenblicklich auf die dahinter liegende Kohlenstofffolie wirkt und sich nicht erst langsam aufbaut. Zudem fokussieren die Nanoröhrchen die Lichtpulse stark auf einen „Brennpunkt“ auf der Folie.

Beide Effekte haben zur Folge, dass die aus der Kohlenstofffolie herausgelösten Ionen über eine deutlich höhere Energie verfügen als bisher (rund 200 Megaelektronenvolt, MeV). Die Experimente wurden im Rahmen des Laserlab-Europe-Programms am ASTRA-Gemini Laser des Rutherford Appleton Laboratory’s durchgeführt. In der Kollaboration arbeiteten Forscher aus Deutschland, Großbritannien, Spanien und China.

Mit der verbesserten, lichtgetriebenen Ionenstrahlung werden nun erstmals Experimente mit Kohlenstoff-Ionen an Zellen möglich. Um lichtgetriebene Ionenstrahlung zur Bekämpfung von Tumoren im menschlichen Körper einzusetzen, werden jedoch Energien von mindestens einem GeV (Gigaelektronenvolt) benötigt, also rund fünfmal so viel wie aktuell möglich ist.

Denn die Strahlung muss erst gesundes Gewebe durchdringen bis sie einen Tumor erreicht. Dieses Ziel ist nicht utopisch: Auf den Grundlagen des Forschungsverbunds des Munich-Centres for Advanced Photonics entsteht auf dem Forschungscampus in Garching das Centre for Advanced Laser Applications (CALA).

Das Laserforschungszentrum wird ein neues Kurzpulslasersystem, den ATLAS 3000, beherbergen. Mit ihm werden erstmals Laserpulse erzeugt, die über eine Leistung von drei Petawatt verfügen. Die daraus erzeugten Laserpulse in Kombination mit der verbesserten Nanoröhrchen-Kohlenstofffolien-Technologie lassen einen medizinischen Einsatz von lichtgetriebener Ionenstrahlung näher rücken.

Originalpublikation:
J. H. Bin, W. J. Ma, H. Y. Wang, M. J. V. Streeter, C. Kreuzer, D. Kiefer, M. Yeung, S. Cousens, P. S. Foster, B. Dromey, X. Q. Yan, R. Ramis, J. Meyer-ter-Vehn, M. Zepf, and J. Schreiber
Ion Acceleration Using Relativistic Pulse Shaping in Near-Critical-Density Plasmas
Phys. Rev. Lett. 115, 064801 (2015), 3 August 2015,
doi: 10.1103/PhysRevLett.115.064801

Weitere Informationen erhalten Sie von:
Prof. Jörg Schreiber
Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU)
Fakultät für Physik, Lehrstuhl für Experimentalphysik - Medizinische Physik
Am Coulombwall 1, 85748 Garching, Germany
Tel.: +49 (0)89 289-54025
Email: Joerg.Schreiber@lmu.de

Karolina Schneider | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.munich-photonics.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Kleinste Teilchen aus fernen Galaxien!
22.09.2017 | Bergische Universität Wuppertal

nachricht Tanzende Elektronen verlieren das Rennen
22.09.2017 | Universität Bielefeld

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: The pyrenoid is a carbon-fixing liquid droplet

Plants and algae use the enzyme Rubisco to fix carbon dioxide, removing it from the atmosphere and converting it into biomass. Algae have figured out a way to increase the efficiency of carbon fixation. They gather most of their Rubisco into a ball-shaped microcompartment called the pyrenoid, which they flood with a high local concentration of carbon dioxide. A team of scientists at Princeton University, the Carnegie Institution for Science, Stanford University and the Max Plank Institute of Biochemistry have unravelled the mysteries of how the pyrenoid is assembled. These insights can help to engineer crops that remove more carbon dioxide from the atmosphere while producing more food.

A warming planet

Im Focus: Hochpräzise Verschaltung in der Hirnrinde

Es ist noch immer weitgehend unbekannt, wie die komplexen neuronalen Netzwerke im Gehirn aufgebaut sind. Insbesondere in der Hirnrinde der Säugetiere, wo Sehen, Denken und Orientierung berechnet werden, sind die Regeln, nach denen die Nervenzellen miteinander verschaltet sind, nur unzureichend erforscht. Wissenschaftler um Moritz Helmstaedter vom Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt am Main und Helene Schmidt vom Bernstein-Zentrum der Humboldt-Universität in Berlin haben nun in dem Teil der Großhirnrinde, der für die räumliche Orientierung zuständig ist, ein überraschend präzises Verschaltungsmuster der Nervenzellen entdeckt.

Wie die Forscher in Nature berichten (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005), haben die...

Im Focus: Highly precise wiring in the Cerebral Cortex

Our brains house extremely complex neuronal circuits, whose detailed structures are still largely unknown. This is especially true for the so-called cerebral cortex of mammals, where among other things vision, thoughts or spatial orientation are being computed. Here the rules by which nerve cells are connected to each other are only partly understood. A team of scientists around Moritz Helmstaedter at the Frankfiurt Max Planck Institute for Brain Research and Helene Schmidt (Humboldt University in Berlin) have now discovered a surprisingly precise nerve cell connectivity pattern in the part of the cerebral cortex that is responsible for orienting the individual animal or human in space.

The researchers report online in Nature (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005) that synapses in...

Im Focus: Tiny lasers from a gallery of whispers

New technique promises tunable laser devices

Whispering gallery mode (WGM) resonators are used to make tiny micro-lasers, sensors, switches, routers and other devices. These tiny structures rely on a...

Im Focus: Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas

Graphen besitzt extreme Eigenschaften und ist vielseitig verwendbar. Mit einem Trick lassen sich sogar die Spins im Graphen kontrollieren. Dies gelang einem HZB-Team schon vor einiger Zeit: Die Physiker haben dafür eine Lage Graphen auf einem Nickelsubstrat aufgebracht und Goldatome dazwischen eingeschleust. Im Fachblatt 2D Materials zeigen sie nun, warum dies sich derartig stark auf die Spins auswirkt. Graphen kommt so auch als Material für künftige Informationstechnologien infrage, die auf der Verarbeitung von Spins als Informationseinheiten basieren.

Graphen ist wohl die exotischste Form von Kohlenstoff: Alle Atome sind untereinander nur in der Ebene verbunden und bilden ein Netz mit sechseckigen Maschen,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

11. BusinessForum21-Kongress „Aktives Schadenmanagement"

22.09.2017 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz zum Biomining ab Sonntag in Freiberg

22.09.2017 | Veranstaltungen

Die Erde und ihre Bestandteile im Fokus

21.09.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

11. BusinessForum21-Kongress „Aktives Schadenmanagement"

22.09.2017 | Veranstaltungsnachrichten

DFG bewilligt drei neue Forschergruppen und eine neue Klinische Forschergruppe

22.09.2017 | Förderungen Preise

Lebendiges Gewebe aus dem Drucker

22.09.2017 | Biowissenschaften Chemie