Mehr als 3.000 Tage und Nächte lang verwandelte er den „Strahl der Träume“ in das „Licht der Realität“.

Autor: Zhang Shuanghu

Am 11. Januar 2019 um 3 Uhr morgens ertönte Jubel aus dem State Key Laboratory of High Field Laser Physics des Shanghai Institute of Optics and Precision Mechanics der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (im Folgenden „Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics“ genannt).

Der Jubel bedeutet, dass das Team unter der Leitung von Wang Wentao, einem Forscher am Institut, nach mehr als 3.000 Tagen und Nächten harter Arbeit den „Strahl der Träume“ in das „Licht der Realität“ verwandelt hat.

Wenn Inspiration eine Belohnung für harte Arbeit ist, dann kann Innovation vielleicht als Ermutigung für diejenigen gesehen werden, die ihre Träume verfolgen.

Nachdem ihm kürzlich die Auszeichnung „Jahresinnovator 2021“ der Chinesischen Akademie der Wissenschaften verliehen wurde, erklärte Wang Wentao gelassen, dass dieser weltweit führende Durchbruch „nicht nur das Ergebnis der harten Arbeit und der Überstunden des Teams ist, sondern, was noch wichtiger ist, das Ergebnis kontinuierlicher Experimente, unermüdlicher Bemühungen und ununterbrochener Innovationen auf Grundlage der gründlichen Erforschung physikalischer Mechanismen.“

Innovation in der täglichen Arbeit

Auf dem LED-Bildschirm am Eingang des National Key Laboratory of High-Field Laser Physics des Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics fällt ein Slogan besonders ins Auge: „300 Tage lang Überstunden machen und erst wiederkommen, wenn wir Licht sehen.“

Wang Wentao sagte gegenüber China Science Daily: „Wir haben diese Verpflichtung übernommen, als das Labor 2013 gebaut wurde.“

Im Jahr 2012 begann unter der Leitung von Wang Wentao ein junges Team mit der Forschung zur Elektronenbeschleunigung im Laser-Tailfield und zu neuen Strahlungsquellen für den Schreibtisch.

Von Anfang an war ihm klar, dass die Durchführung dieser Forschung bedeutete, dass er lange Zeit auf der „Werkbank“ sitzen würde – er würde nicht nur keine Artikel veröffentlichen oder Patente erhalten können, sondern auch die Zeit, die er brauchte, um befördert zu werden und die Anerkennung seiner Kollegen zu gewinnen, würde viel länger sein.

Das Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics unterstützte diese Gruppe junger Menschen damals sehr und versuchte mit allen Mitteln, ihre Sorgen zu lindern. Mit diesem kraftvollen Slogan brachte das Team seine Entschlossenheit zum Ausdruck, alles zu geben.

„‚Dreihundert Tage‘ ist ein bildlicher Begriff“, sagte Wang Wentao. „Ein Jahr hat 365 Tage, aber die Zahl der Tage, an denen wir Überstunden machen, liegt tatsächlich bei weit über 300 Tagen.“

Da die Forschung zur Elektronenbeschleunigung im Laser-Tailfield einen empfindlichen „Dimmprozess“ beinhaltet und die ruhige Umgebung nachts für das Experiment förderlicher ist, sind Überstunden zur Norm geworden und sie sind im Grunde jeden Tag bis spät in die Nacht beschäftigt.

Der Freie-Elektronen-Laser ist in drei Schritte unterteilt.

Eine Möglichkeit besteht darin, einen Laserantrieb zu verwenden. Das Laserteam bereitet den Laser täglich vor und justiert ihn, fokussiert ihn auf die Gasmoleküle und regt Elektronen an, um ein Mikrowellenfeld zu erzeugen.

Der zweite Punkt ist die Qualität des Dimmens.

Die dritte besteht darin, den Elektronenstrahl zu stabilisieren und eine Fernübertragung zu erreichen, um eine Lichtemission zu realisieren.

Das Mikrowellenfeld ist wie das Kielwasser eines Schiffes, das mit hoher Geschwindigkeit auf dem Meer fährt. Es zieht die Elektronen an und treibt sie gemeinsam vorwärts. Da die Lichtgeschwindigkeit sehr hoch ist, werden die Elektronen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit gebracht, wodurch eine höhere Energie erreicht wird.

Wang Wentao erklärte: „Die Lasergruppe benötigt zwei Stunden, um das Licht einzustellen, und weitere vier bis fünf Stunden, um es zu stabilisieren und zu übertragen. Dieser Vorgang ist sehr mühsam und muss täglich wiederholt werden. Darüber hinaus verhindert jede noch so kleine Zitterbewegung oder Abweichung an der Vorderseite, dass der Elektronenstrahl nach hinten übertragen wird.“

Auf diese Weise verbrachten sie fünf oder sechs Jahre damit, Tag für Tag die Arbeit zu „polieren“, von der sie ursprünglich dachten, sie könnte in zwei oder drei Jahren fertiggestellt werden.

„In diesem Prozess wurde viel Innovation betrieben.“

Wang Wentao glaubt, dass wir zur Fertigstellung dieser Arbeit zunächst einige traditionelle physikalische Probleme überwinden müssen, wie etwa die Instabilität des Laserplasmas, die Instabilität der nichtlinearen Effekte starker Laser und die physikalischen Einschränkungen kleiner Beschleuniger.

Das Team schlug eine Reihe von Schemata vor und übernahm die Führung bei der Verifizierung, wie etwa „Kaskaden-Tailfield“, „Gradienteninjektion“, „kooperative Injektion“ und „Chirp-Kompensation“, verifizierte den Kaskaden-Tailfield-Beschleunigungsmechanismus und erzielte viele weltweit führende Ergebnisse, wie etwa lasergetriebene Elektronenstrahlen mit der höchsten internationalen Qualität (Helligkeit nahe der des fortschrittlichsten Linearbeschleunigers) und der niedrigsten Energiedispersion (0,2 Tausendstel), und vollzog damit den Übergang vom Mitbewerber zum Spitzenreiter in diesem Bereich.

Sich tief in physikalische Probleme hineinzuversetzen, von den Prinzipien auszugehen, den richtigen Ansatz zu finden, bahnbrechende Lösungen vorzuschlagen und diese Lösungen durch clevere Experimente und technische Mittel umzusetzen: So versteht das Team von Wang Wentao schon lange den Begriff „Innovation“.

„Mit der Entwicklung der modernen Physik werden zwar keine Neuerungen bei den grundlegenden physikalischen Prinzipien und physikalischen Systemen eintreten, aber es wird mehr Neuerungen und Verbesserungen bei den experimentellen Techniken und Versuchsplänen geben.“

Wang Wentao sagte: „Dies kann als Methodeninnovation oder technologische Innovation bezeichnet werden. Der Schlüssel liegt darin, den richtigen Einstiegspunkt zu finden.“

Die ersten Lichtstrahlen erscheinen

Im Jahr 2004 gelang Wissenschaftlern aus den USA, Frankreich, Großbritannien und anderen Ländern erstmals ein Durchbruch bei der experimentellen Beschleunigung von Elektronen in Laser-Wakefields.

Als in Nature über diese Errungenschaft in einem Titelartikel berichtet wurde, lautete der verwendete Titel „Traumstrahl“.

„‚Traumstrahl‘ hat zwei Bedeutungen“, sagte Wang Wentao. „Das eine ist die perfekte Beschleunigung in Träumen, das andere ist der Beschleuniger, der noch in Träumen existiert, aber noch nicht realisiert wurde. Die wissenschaftliche Gemeinschaft ist der Ansicht, dass Teilchenbeschleuniger in Zukunft miniaturisiert werden sollten.“

Das Laser-Wakefield ermöglicht eine Miniaturisierung des Beschleunigers.

Seitdem sind miniaturisierte Freie-Elektronen-Laser, die von Laser-Wakefield-Beschleunigern angetrieben werden, insbesondere Freie-Elektronen-Laser im Röntgenbereich, die gemeinsame Grenze, die von Wissenschaftlern auf diesem Gebiet verfolgt wird.

Im Jahr 2018 entwickelte das Team von Wang Wentao erfolgreich einen stabilen Desktop-Laser-Elektronenbeschleuniger, der einen monoenergetischen Elektronenstrahl mit einer Wiederholungsrate von 100 % erzeugt.

Physiker sind der Ansicht, dass dies zeigt, dass der „Tisch-Teilchenbeschleuniger“, einer der fünf großen Durchbrüche im Laserbereich, die in der Sonderausgabe „Vision 2020“ von Nature vorhergesagt wurden, vorzeitig erreicht wurde. Es zeigt auch, dass mein Land bei der Realisierung des äußerst wichtigen Übergangs von Experimenten zu Instrumenten im Bereich der Teilchenbeschleunigung auf der Werkbank eine Vorreiterrolle übernommen hat.

Im Jahr 2021 verbesserte das Team von Wang Wentao die Qualität des durch das Laser-Wakefield beschleunigten Elektronenstrahls erheblich und kombinierte ihn mit einem innovativ konzipierten kompakten Strahlübertragungs- und Strahlungssystem, um die erste verstärkte Leistung eines freien Elektronenlasers auf Basis eines Laserbeschleunigers zu erzielen. Die typische Laserwellenlänge beträgt 27 Nanometer, die kürzeste Laserwellenlänge kann 10 Nanojoule erreichen und die Einzelpulsenergie kann 100 Nanojoule erreichen. Durch Methoden wie Orbital-Offset und Kalibrierung der spontanen Strahlung wurde nachgewiesen, dass der Energiegewinn im letzten Abschnitt des Undulators bis zu 100-mal so hoch ist. Damit wurde weltweit erstmals eine verstärkte Leistung der spontanen Strahlung im extremen Ultraviolettbereich auf der Basis eines Laser-Elektronenbeschleunigers erreicht.

„Wir haben den Machbarkeitsnachweis bereits erbracht und eine Verstärkung erreicht. Dies ist nur der erste Schritt, und wir können noch nicht sagen, dass wir den Freie-Elektronen-Laser fertiggestellt haben.“

Wang Wentao sagte: „Der Artikel im Magazin Nature aus dem Jahr 2004 galt als ‚Morgendämmerung‘ der Miniaturbeschleuniger. Unsere Errungenschaft entspricht dem ‚ersten Lichtstrahl‘, der allerdings noch nicht das stärkste Licht ist.“

Dem Traum der „Miniaturisierung“ näher kommen

Am 22. Juli 2021 wurden die Forschungsergebnisse des Teams von Wang Wentao auf dem Cover von Nature veröffentlicht.

In den gleichzeitig veröffentlichten Kolumnen von Nature und Science hieß es: „Diese Errungenschaft ist ein weiterer Meilenstein auf dem Gebiet der Laser-Wakefield-Forschung seit dem Bericht über ‚Dream Beam‘ im Jahr 2004. Sie wird erhebliche Auswirkungen auf andere Forscher haben und stellt einen großen Durchbruch dar.“ „Das ist ein riesiger Schritt nach vorne!“

Von großen Computern bis hin zu verschiedenen Handheld-Terminals steigt die Rechenleistung rapide an, während die Größe immer kleiner wird.

Auch die Größe großer Beschleuniger, die mehrere zehn Kilometer groß sein können, macht sie zu äußerst „luxuriösen“ wissenschaftlichen Forschungsgeräten.

Die Verkleinerung dient auch dazu, leistungsfähiger zu werden. Ähnlich wie bei der rasanten Entwicklung integrierter Schaltkreise benötigten die Menschen, nachdem sie PCs und Mobiltelefone hatten, weiterhin Supercomputer. Nur wenn die Größe des Beschleunigers reduziert wird, können im verfügbaren Raum leistungsfähigere Funktionen erreicht werden.

Wang Wentao sagte: „Im Universum wurden einige Elektronen mit extrem hoher Energie entdeckt. Derart hochenergetische Elektronen können derzeit auf der Erde nicht erreicht werden. In Zukunft werden wir Verfahren mit hohen Beschleunigungsgradienten verwenden, um solche kosmischen Teilchen zu simulieren.“

Neben Teilchenkollisionen und der Untersuchung grundlegender physikalischer Probleme kann die Beschleunigung hochenergetischer Teilchen auch als Strahlungsquelle für eine Vielzahl von Anwendungen in Produktion und Leben genutzt werden.

Derzeit wird durch den Einsatz von Laser-Wakefield-Elektronenbeschleunigern eine Geschwindigkeit von zehn Metern erreicht. „Die Geschwindigkeit, für die ursprünglich eine Beschleunigung von Dutzenden von Kilometern erforderlich war, kann heute in nur einem Dutzend Metern erreicht werden.“

„In Zukunft werden wir die Ausgangsleistung und Photonenenergie des Freie-Elektronen-Lasers weiter verbessern und weiterhin an der Entwicklung von Freie-Elektronen-Lasern für den Schreibtisch arbeiten, während wir gleichzeitig die Leistung sicherstellen“, sagte Wang Wentao.

China Science Daily (25.02.2022, Seite 1, Originaltitel: „Wang Wentao: Den richtigen Einstiegspunkt für Träume finden“)

Herausgeber | Zhao Lu

Schriftsatz | Guo Gang