Fysiker vid University of Michigan har lett utvecklingen av en enhet i storleken på ett tändstickshuvud som kan böja ljus inuti en kristall för att generera synkrotronstrålning i ett labb.

När fysiker böjer mycket intensiva strålar av laddade partiklar i cirkulära banor nära ljusets hastighet, denna böjning kastar bort ljusbitar, eller röntgen, kallas synkrotronstrålning. De UM-ledda forskarna använde sin enhet för att böja synligt ljus för att producera ljus med en våglängd i terahertz-området. Detta våglängdsområde är betydligt större än synligt ljus, men mycket mindre än de vågor din mikrovågsugn producerar - och kan tränga igenom kläder.

Synkrotronstrålning genereras vanligtvis vid storskaliga anläggningar, som vanligtvis är lika stora som flera fotbollsstadioner. Istället, U-M-forskare Roberto Merlin och Meredith Henstridges team utvecklade ett sätt att producera synkrotronstrålning genom att skriva ut ett mönster av mikroskopiska guldantenner på den polerade ytan av en litiumtantalatkristall, kallas en metasurface. U-M-laget, som också inkluderade forskare från Purdue University, använde en laser för att pulsera ljus genom antennmönstret, som böjde ljuset och producerade synkrotronstrålning.

"Istället för att använda linser och rumsliga ljusmodulatorer för att utföra denna typ av experiment, vi räknade ut det genom att helt enkelt mönstra en yta med en metasyta, du kan uppnå ett liknande mål, "sa Merlin, professor i fysik och elektroteknik och datavetenskap. "För att få ljuset att kurva, du måste skulptera varje bit av ljusstrålen till en viss intensitet och fas, och nu kan vi göra detta på ett extremt kirurgiskt sätt. "

Anthony Grbic, U-professor i elektroteknik och datavetenskap, ledde teamet som designade metasurface med den tidigare doktoranden Carl Pfeiffer som utvecklade metasurface.

Metasytan består av ungefär 10 miljoner små boomerangformade antenner. Varje antenn är betydligt mindre än våglängden för det inkommande ljuset, sa Henstridge, huvudförfattare till studien. Forskarna använder en laser som producerar "ultrakorte" skurar eller ljuspulser som varar i en biljonedel av en sekund. Mängden antenner får ljuspulsen att accelerera längs en krökt bana inuti kristallen.

Ljuspulsen skapar en samling elektriska dipoler - eller, en grupp av positiva och negativa laddningspar. Denna dipolsamling accelererar längs ljuspulsens böjda bana, resulterar i emission av synkrotronstrålning, enligt Henstridge, som tog sin doktorsexamen vid U-M och är nu postdoktor vid Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter i Hamburg, Tyskland.

Forskarnas enhet producerar synkrotronstrålning som innehåller många terahertz -frekvenser eftersom ljuspulserna reser bara en bråkdel av en cirkel. Men de hoppas kunna förfina sin enhet så att ljuspulsen roterar kontinuerligt längs en cirkulär väg, producerar synkrotronstrålning vid en enda terahertz -frekvens.

Det vetenskapliga samfundet använder enfrekventa terahertz-källor för att studera beteendet hos atomer eller molekyler inom ett givet fast ämne, vätska eller gas. Kommersiellt, terahertz -källor används för att skanna föremål gömda i kläder och förpackningslådor. Läkemedel, explosiva och giftiga gaser har alla unika "fingeravtryck" i terahertz -området som kan identifieras med hjälp av terahertz -spektroskopi.

Enhetens användningsområden är inte begränsade till säkerhetsindustrin.

"Terahertz -strålning är användbar för avbildning inom biomedicinska vetenskaper, "Sa Henstridge." Till exempel, den har använts för att skilja mellan cancerös och frisk vävnad. Ett on-chip, enkelfrekvent terahertz-källa, som en liten ljusdriven synkrotron som vår enhet, kan möjliggöra nya framsteg i alla dessa applikationer. "