Forskare har framgångsrikt utvecklat en partikelaccelerator i fickstorlek som kan projicera ultrakorta elektronstrålar med laserljus med mer än 99,99 % av ljusets hastighet.

För att uppnå detta resultat, forskarna har varit tvungna att sakta ner ljuset för att matcha elektronernas hastighet med hjälp av en specialdesignad metallstruktur kantad med kvartsskikt som är tunnare än ett människohår.

Detta enorma steg framåt erbjuder samtidigt möjligheten att både mäta och manipulera partikelbuntar på tidsskalor på mindre än 10 femtosekunder (0,000 000 000 000 01 sekunder, eller tiden tar lätt att resa 1/100-dels millimeter). Detta kommer att göra det möjligt för dem att skapa stroboskopfotografier av atomär rörelse.

Denna framgångsrika demonstration banar väg för utvecklingen av högenergi, hög laddning, högkvalitativa Terahertz (THz) drivna acceleratorer, som lovar att bli billigare och mer kompakt. Att minska storleken och kostnaderna för acceleratorteknik, kommer att öppna upp dessa otroliga maskiner för ett mycket bredare spektrum av applikationer.

Partikelacceleratorer är utbredda med tillämpningar inom grundforskning inom partikelfysik, materialkarakterisering, strålbehandling på sjukhus, där de används för att behandla cancerpatienter, radioisotopproduktion för medicinsk bildbehandling, och säkerhetskontroll av last. Den grundläggande tekniken (radiofrekvensoscillatorer) som ligger till grund för dessa maskiner, utvecklades för radar under andra världskriget.

I ny forskning publicerad idag i Nature Photonics , ett samarbetsteam av akademiker visar att deras unika lösning är att använda lasrar för att generera terahertz-frekvenspulser av ljus. Terahertz är en region i det elektromagnetiska spektrumet mellan infraröd (används i TV-fjärrkontroller) och mikrovågsugn (används i mikrovågsugnar). Lasergenererad THz-strålning finns i den ideala millimeterskalans våglängdsregimen, gör strukturtillverkningen enklare men framför allt tillhandahåller halvcykellängderna som är väl lämpade för acceleration av hela elektronknippen med höga laddningsnivåer.

Huvudförfattaren på tidningen Dr. Morgan Hibberd från University of Manchester sa:"Den största utmaningen var att matcha hastigheten för det accelererande THz-fältet med elektronstrålens hastighet nästan i ljusets hastighet, samtidigt som det förhindrar den naturligt lägre hastigheten hos THz-pulsenveloppen som fortplantar sig genom vår accelererande struktur från att avsevärt försämra längden över vilken drivfältet och elektronerna interagerar."

"Vi övervann detta problem genom att utveckla en unik THz-källa som producerade längre pulser som bara innehöll ett smalt frekvensområde, avsevärt förbättra interaktionen. Vår nästa milstolpe är att visa ännu högre energivinster samtidigt som strålkvaliteten bibehålls. Vi räknar med att detta kommer att förverkligas genom förfining för att öka vår THz-energikälla, som redan är igång."

Professor Steven Jamison från Lancaster University som tillsammans leder programmet, förklarade:"Den kontrollerade accelerationen av relativistiska strålar med laserliknande pulser med terahertzfrekvens är en milstolpe i utvecklingen av ett nytt tillvägagångssätt för partikelacceleratorer. Genom att använda elektromagnetiska frekvenser över hundra gånger högre än i konventionella partikelacceleratorer, ett revolutionerande framsteg i kontrollen av partikelstrålarna på femtosekunders tidsskalor blir möjligt."

"Med vår demonstration av terahertzacceleration av partiklar som rör sig med 99,99% av ljusets hastighet, vi har bekräftat en väg för att skala terahertzacceleration till mycket relativistiska energier."

Medan forskarna har ett öga för en långsiktig roll för sina koncept när det gäller att ersätta forskningsacceleratorer i flera kilometers skala (som Europas 3 km långa röntgenkälla i Hamburg) med enheter som bara är meter långa, de förväntar sig att de omedelbara effekterna kommer att vara inom strålterapi och materialkarakterisering.

Dr Darren Graham, Universitetslektor i fysik vid University of Manchester sa:"Att uppnå denna milstolpe hade inte varit möjligt utan den unika samarbetsmiljö som tillhandahålls av Cockcroft Institute, som har hjälpt till att sammanföra forskare och ingenjörer från University of Lancaster, University of Manchester och personalen från STFC vid Daresbury Laboratory."