DESY -forskare har skapat en miniatyrpartikelaccelerator för elektroner som kan utföra fyra olika funktioner med ett knapptryck. Den experimentella enheten drivs av en terahertz -strålningskälla och kan accelerera, komprimera, fokusera och analysera elektronbuntar i en stråle. Dess aktiva strukturer mäter bara några millimeter. Utvecklarna från Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) presenterar sin segmenterade terahertz elektronaccelerator och manipulator (STEAM) i tidningen Nature Photonics . terahertz -strålning finns mellan mikrovågor och infrarött i det elektromagnetiska spektrumet.

En av de centrala funktionerna i enheten är dess perfekta timing med elektronstrålen. Forskarna uppnådde detta genom att använda samma laserpuls för att generera ett elektronbunt och för att driva enheten. "Att göra detta, vi tar en infraröd laserpuls och delar upp den, "förklarar författaren Dongfang Zhang från gruppen Franz Kärtner vid CFEL." Båda delarna matas in i olinjära kristaller som ändrar laservåglängden:För generering av ett elektronbunt förskjuts våglängden till ultraviolett och riktas till en fotokatod där den släpper ut ett gäng elektroner. För STEAM flyttas våglängden till terahertz -regimen. Den relativa tidpunkten för de två delarna av den ursprungliga laserpulsen beror bara på längden på vägen de tar och kan styras mycket exakt. "

Den här vägen, forskarna kan styra med ultrahög precision, vilken del av terahertz -vågen ett elektronbunt träffar när det kommer in i enheten. Beroende på ankomsttiden för elektrongruppen, STEAM utför sina olika funktioner. "Till exempel, ett gäng som träffar den negativa delen av det terahertz elektriska fältet accelereras, "förklarar Zhang." Andra delar av vågen leder till fokusering eller defokusering av gänget eller till en kompression med en faktor tio eller så. "Medan komprimering betyder att elektrongruppen blir kortare i flygriktningen, fokusering innebär att den krymper vinkelrätt mot flygriktningen.

Dessutom, STEAM gör det möjligt att utföra en analys av strukturen hos elektrongruppen längs dess flygväg. För denna teknik, kallas ränder, det inkommande elektrongänget avböjs i sidled på ett sådant sätt att det blir utsmält vinkelrätt mot flygriktningen. När detta utsmetade gäng träffar en detektor, det producerar en profil av gänget längs sin flygväg. Streaking används regelbundet för att analysera gruppstrukturerna i partikelacceleratorer. "STEAM är en slags schweizisk armékniv för elektronstrålar, "säger Zhang. För att utföra flera funktioner, som komprimering och fokusering, flera enheter av enheten kan kombineras.

Att använda terahertz -strålning möjliggör också den kompakta storleken på STEAM -enheten. "Terahertz -strålning har vanligtvis hundra gånger kortare våglängder än radiofrekvensstrålningen som används i dagens stora partikelacceleratorer. Därför, alla strukturer i enheten kan krympa i enlighet därmed, "förklarar Kärtner, som är forskare vid DESY och professor vid Universität Hamburg. Mäter bara cirka två centimeter på den största sidan, STEAM passar enkelt in i en tändsticksask. "Och det är bara storleken på huset. De aktiva strukturerna är i en millimeter skala, "tillägger Zhang.

Tekniken är fortfarande på ett experimentellt stadium. Utvecklarna ser STEAM som ett första steg på vägen mot en framtida generation av kompakta, terahertz -drivna partikelacceleratorer. Dessa kan möjliggöra nya applikationer och komplettera dagens acceleratorer. Också, fickmanipulatorn kan redan användas idag:acceleratorgrupper runt om i världen överväger det redan för gruppkarakterisering, som Kärtner påpekar:"STEAM kan användas för framtida bordsacceleratorer, men dess olika funktioner är också intressanta för befintliga maskiner. "