Die Jahre des sorgsamen Planens und Aufbauens haben sich ausgezahlt: An der neuesten Grossforschungsanlage des Paul Scherrer Instituts PSI – dem Freie-Elektronen-Röntgenlaser SwissFEL – wurde das erste Experiment erfolgreich durchgeführt.

Damit wurden zwei Ziele erreicht: Erstens gibt es schon gleich ein neues wissenschaftliches Ergebnis. Zweitens wird damit das Zusammenspiel der vielen Einzelkomponenten der hochkomplexen Anlage optimiert. Wenn direkt das allererste Experiment an einer neuen Grossforschungsanlage gelingt, gönnt man den verantwortlichen Forschenden ihre Freude. So ist es Ende November am neuen Freie-Elektronen-Röntgenlaser SwissFEL geschehen: Das ist ein grosses Erfolgserlebnis für das PSI.

Die PSI-Forschenden haben gemeinsam mit einer Forschungsgruppe der französischen Universität Rennes vom 27. November bis zum 4. Dezember 2017 das erste Experiment in einer Reihe sogenannter Pilotexperimente am SwissFEL durchgeführt. Das Experiment hatte ein klares, wissenschaftliches Ziel: Die elektrischen und magnetischen Eigenschaften von Nanokristallen aus Titanpentoxid zu untersuchen. Titanpentoxid ist ein möglicher Kandidat für elektronische Bauteile der Zukunft. Zum Beispiel für wiederbeschreibbare Datenspeicher mit hoher Schreibdichte. Die Nanokristalle aus Titanpentoxid lassen sich mit geeigneten Laserpulsen gezielt zwischen zwei Zuständen – elektrisch leitend oder elektrisch halbleitend – verändern. Genau diesen herbeigeführten Übergang untersuchten die Forschenden im ersten Experiment mit den hochenergetischen Röntgenlichtpulsen des SwissFEL.

Wie ein gigantisches Puzzle

Das Experiment sowie weitere Pilotexperimente dienen auch dazu, den Betrieb der gesamten Anlage immer wieder zu optimieren, bevor im Januar 2019 der reguläre Nutzerbetrieb am SwissFEL starten wird.
«Nach vielen Jahren der Planung und des Aufbaus kennen wir alle Teile des 740 Meter langen SwissFEL in- und auswendig», sagt Luc Patthey, der am SwissFEL Projektleiter für Photonik ist. «Mit dem ersten Experiment mussten die Teile erstmals wie in einem gigantischen Puzzle auch im Zusammenspiel funktionieren und ineinandergreifen. Es ist schön zu sehen, dass dies gelungen ist. Denn das Ziel ist klar: Ab Ende 2018 wollen wir den Nutzern des SwissFEL eine Forschungsplattform von internationalem Rang zur Verfügung stellen, die mit Schweizer Präzision und Zuverlässigkeit funktioniert.»

Pilotexperimente in insgesamt drei Phasen

Insgesamt sind drei Phasen von Pilotexperimenten geplant, die sich bis Ende 2018 erstrecken werden. «Parallel zu den Pilotexperimenten wird die Energie und Leistung des SwissFEL erhöht», erklärt Hans Braun, der am SwissFEL Projektleiter für den Beschleuniger ist. «Bis Sommer 2018 werden wir auch dieses Ziel erreicht haben.»

Der SwissFEL wurde vor einem Jahr – im Dezember 2016 – offiziell eingeweiht. Seither wurden nach und nach alle Komponenten in Betrieb genommen und deren Einstellung optimiert. Parallel dazu wurden die sogenannten Experimentierstationen aufgebaut. An einer davon fand nun das erste Experiment statt.

Weltweit sind nur vier vergleichbare Anlagen in Betrieb

Der SwissFEL erzeugt kurze Pulse von Röntgenlicht mit Lasereigenschaften. Mit diesen Lichtpulsen lassen sich extrem schnelle Vorgänge verfolgen, darunter die Entstehung neuer Moleküle bei chemischen Reaktionen, die detaillierte, sich verändernde Struktur lebenswichtiger Proteine oder der genaue Aufbau von Materialien. Forschende werden am SwissFEL Einblicke gewinnen, wie sie mit heute verfügbaren Methoden nicht möglich sind. Die Erkenntnisse werden unser Verständnis der Natur erweitern und zu praktischen Anwendungen führen wie etwa neuen Medikamenten, effizienteren Prozessen in der chemischen Industrie oder neuen Materialien in der Elektronik.

Wie die anderen Grossforschungsanlagen des PSI wird auch der SwissFEL für externe Forschende zugänglich sein, wobei die Bedürfnisse der Schweizer Hochschulen und der Industrie schon bei der Planung besonders berücksichtigt wurden. Weltweit sind nur vier vergleichbare Anlagen in Betrieb.