Ett team av forskare från DESY och University of Hamburg har nått en viktig milstolpe i jakten på en ny typ av kompakt partikelaccelerator. Med ultrakraftiga pulser av laserljus, de kunde producera särskilt högenergi-strålglimtar i terahertz-området med en skarpt definierad våglängd (färg). Terahertz -strålning ska öppna vägen för en ny generation kompakta partikelacceleratorer som får plats på en laboratoriebänk. Teamet som leds av Andreas Maier och Franz Kärtner från Hamburg Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) presenterar sina resultat i tidskriften Naturkommunikation . CFEL drivs gemensamt av DESY, universitetet i Hamburg och Max Planck Society.

Terahertz -området för elektromagnetisk strålning ligger mellan de infraröda och mikrovågsfrekvenserna. Flygresenärer kan vara bekanta med terahertz-strålning från helkroppsskannrar som används av flygplatsens säkerhet för att söka efter föremål gömda under en persons plagg. Dock, strålning i detta frekvensområde kan också användas för att bygga kompakta partikelacceleratorer. "Terahertz -strålningens våglängd är ungefär tusen gånger kortare än de radiovågor som för närvarande används för att accelerera partiklar, "säger Kärtner, som är en ledande forskare på DESY. "Det betyder att acceleratorns komponenter också kan byggas för att vara omkring tusen gånger mindre." Generationen av terahertz-pulser med hög energi är därför också ett viktigt steg för projektet AXSIS (frontiers in Attosecond X-ray Science:Imaging and Spectroscopy) vid CFEL, finansierat av European Research Council (ERC), som syftar till att öppna upp helt nya applikationer med kompakta terahertz -partikelacceleratorer.

Dock, svängning längs ett avsevärt antal partiklar kräver kraftfulla pulser av terahertz -strålning med en skarpt definierad våglängd. Detta är precis vad laget nu har lyckats skapa. "För att generera terahertz -pulser, vi avfyrar två kraftfulla pulser av laserljus till en så kallad icke-linjär kristall, med en minimal tidsfördröjning mellan de två, "förklarar Maier från universitetet i Hamburg. De två laserpulserna har en slags färggradient, vilket betyder att färgen på pulsens framsida är annorlunda än den på baksidan. Den lilla tidsförskjutningen mellan de två pulserna leder därför till en liten färgskillnad. "Denna skillnad ligger just i terahertz -intervallet, "säger Maier." Kristallen omvandlar färgskillnaden till en terahertz -puls. "

Metoden kräver att de två laserpulserna är exakt synkroniserade. Forskarna uppnår detta genom att dela en enda puls i två delar och skicka en av dem på en kort omväg så att den fördröjs något innan de två pulserna så småningom överlagras igen. Dock, färggradienten längs pulserna är inte konstant, med andra ord ändras inte färgen enhetligt längs pulslängden. Istället, färgen ändras långsamt först, och sedan allt snabbare, ger en böjd kontur. Som ett resultat, färgskillnaden mellan de två förskjutna pulserna är inte konstant. Skillnaden är bara lämplig för att producera terahertz -strålning över en smal pulssträcka.

"Det var ett stort hinder för att skapa terahertz-pulser med hög energi, "som Maier rapporterar." Eftersom rätning av pulsernas färggradient, vilket skulle ha varit den självklara lösningen, är inte lätt att göra i praktiken. "Det var medförfattaren Nicholas Matlis som kom med den avgörande idén:han föreslog att färgprofilen för bara en av de två partiella pulserna skulle sträckas något längs tidsaxeln. Medan detta fortfarande ändrar inte i vilken grad färgen ändras längs pulsen, färgskillnaden med avseende på den andra partiella pulsen förblir nu konstant hela tiden. "De förändringar som måste göras på en av pulserna är minimala och förvånansvärt lätta att uppnå:allt som var nödvändigt var att sätta in en kort längd av ett speciellt glas i balken, "rapporterar Maier." Plötsligt, terahertz -signalen blev starkare med en faktor 13. "Dessutom har forskarna använde en särskilt stor icke-linjär kristall för att producera terahertz-strålning, speciellt gjorda för dem av Japanese Institute for Molecular Science i Okazaki.

"Genom att kombinera dessa två åtgärder, vi kunde producera terahertz -pulser med en energi på 0,6 millijoule, vilket är ett rekord för denna teknik och mer än tio gånger högre än någon terahertz -puls med skarpt definierad våglängd som tidigare har genererats med optiska medel, "säger Kärtner." Vårt arbete visar att det är möjligt att producera tillräckligt kraftfulla terahertz -pulser med skarpt definierade våglängder för att driva kompakta partikelacceleratorer. "