Vid BESSY II förvaringsring, ett gemensamt team av acceleratorfysiker, undulatorexperter och experimenterare har visat hur heliciteten hos cirkulärt polariserad synkrotronstrålning kan växlas snabbare - upp till en miljon gånger snabbare än tidigare. De använde en elliptisk dubbel-undulator utvecklad vid HZB och manövrerade lagringsringen i det så kallade tvåomloppsläget. Detta är ett speciellt driftsätt som nyligen utvecklats vid BESSY II och som ger grunden för snabb omkoppling. Den ultrasnabba förändringen av ljushelicitet är särskilt intressant att observera processer i magnetiska material och har länge förväntats av en stor användargemenskap.

I synkrotronstrålningskällor som BESSY II, elektronbuntar kretsar kring lagringsringen med nästan ljusets hastighet. De tvingas avge extremt starka ljuspulser med speciella egenskaper genom periodiska magnetiska strukturer (undulatorer).

Elliptiska undulatorer kan också användas för att generera cirkulärt polariserade ljuspulser, som visar en funktion som kallas helicitet:polarisationen går antingen medurs eller moturs. Magnetiska strukturer i material reagerar olika på cirkulärt polariserat ljus:Beroende på röntgenpulsernas helicitet, de absorberar mer eller mindre denna strålning.

Sedan 1980-talet, detta har utnyttjats i så kallade XMCD (X-ray Circular Dichroism) experiment för att undersöka statiska och dynamiska förändringar i magnetiska material eller för att avbilda magnetiska nanostrukturer på ytor.

Speciellt för sådana bildtekniker, användargemenskapen vid synkrotronstrålningskällor har länge önskat möjligheten att snabbt växla ljusets helicitet, främst för att detta direkt resulterar i en magnetisk bildkontrast som gör bitar i magnetiska datalagringsenheter synliga och kvantifierbara.

I de elliptiska undulatorerna som är typiska för BESSY II (APPLE II), utvecklad av gruppen kring Johannes Bahrdt, ljusets helicitet växlas av en mekanisk förskjutning av meterlånga arrangemang av starka permanentmagneter, en process som ibland tar upp till minuter.

Den nya metoden, dock, är baserad på kombinationen av sådana undulatorer med en speciell omloppsbana av elektronstrålen i lagringsringen – genererad av de så kallade TRIBs (transverse resonance island buckets). TRIBs har experimentellt utforskats av acceleratorexperten Dr. Paul Goslawski vid BESSY II. Medan elektronernas väg i lagringsringen normalt stängs efter en omloppsbana, i TRIBs-läget kör elektronerna på olika banor under på varandra följande banor och kan därmed avge röntgenpulser från olika magnetfältskonfigurationer, föreslog Dr Karsten Holldack och Dr Johannes Bahrdt.

De kunde nyligen visa att deras idé faktiskt fungerar med hjälp av den befintliga dubbla undulatorn UE56-2 vid BESSY II i ett pilotexperiment:När de passerar genom ett speciellt förberett magnetarrangemang av denna dubbla undulator, elektronknippen från olika banor i TRIBs-läge emitterade röntgenfotoner med samma våglängd men motsatt cirkulär polarisation.

Således, i princip, XMCD-signaler från magnetiska prover kan nu studeras med intervaller på endast 1 mikrosekund med höger- och sedan vänstercirkulärt polariserade ljuspulser. I pilotexperimentet detekterades XMCD-signalerna från ett magnetiskt prov (nickel i permalloy) från varv till varv och den snabba (MHz) helicitetsförändringen kunde tydligt demonstreras. Med nya undulatorer skräddarsydda för detta ändamål, speciella strållinjer med ultrasnabb helicitetsändring kan erbjudas på BESSY II i TRIBs-läge. I slutändan kan bytestider krympa till nanosekunder.

"Vi är verkligen glada över att Two-Orbit/TRIBs-utvecklingen nu tillåter redan nya experiment på BESSY II", säger Goslawski. Detta skulle också vara ett attraktivt alternativ för BESSY III. Resultaten har nu publicerats i Naturkommunikationsfysik .