Acceleratorexperter från Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB), det tyska federala metrologiinstitutet Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) och Tsinghua University i Peking har använt en laser för att manipulera elektronknippen vid PTB:s Metrology Light Source så att de sänder ut intensiva ljuspulser med en laserliknande karaktär. Med denna metod, specialiserade synkrotronstrålningskällor skulle potentiellt kunna fylla en lucka i arsenalen av tillgängliga ljuskällor och erbjuda en prototyp för industriella tillämpningar.

De modernaste ljuskällorna för forskning är baserade på partikelacceleratorer. Dessa är stora anläggningar där elektroner accelereras till nästan ljusets hastighet, och avger sedan ljuspulser av en speciell karaktär. I lagringsringbaserade synkrotronstrålningskällor, elektronknippen färdas i ringen i miljarder varv, generera sedan en snabb följd av mycket starka ljuspulser i de avlänkande magneterna. I kontrast, elektronknippen i frielektronlasrar (FEL) accelereras linjärt och avger sedan en enda superljus blixt av laserliknande ljus. Lagringsringkällor såväl som FEL-källor har underlättat framsteg inom många områden under de senaste åren, från djupa insikter i biologiska och medicinska frågor till materialforskning, teknologisk utveckling, och kvantfysik.

Nu, ett kinesisk-tyskt team har visat att ett mönster av pulser kan genereras i en synkrotronstrålningskälla som kombinerar fördelarna med båda systemen. Synkrotronkällan levererar kort, intensiva mikrobuncher av elektroner som producerar strålningspulser med en laserliknande karaktär (som med FEL), men som också kan följa varandra tätt i sekvens (som med synkrotronljuskällor).

Idén, kallas "steady-state microbunching" (SSMB), utvecklades för cirka 10 år sedan av den ledande acceleratorteoretikern Alexander Chao och hans Ph.D. student Daniel Ratner vid Stanford University. Mekanismen ska också göra det möjligt för lagringsringar att generera ljuspulser inte bara med hög repetitionshastighet, men också som koherent strålning som en laser. Fysikern Xiujie Deng från Tsinghua University, Peking, tog upp dessa idéer i sitt doktorandarbete och undersökte dem vidare teoretiskt.

Chao etablerade kontakt med acceleratorfysikerna på HZB 2017 som driver den metrologiska ljuskällan (MLS) vid PTB förutom den mjuka röntgenkällan BESSY II vid HZB. MLS är den första ljuskällan i världen som optimerats genom design för användning i det som kallas "lågt alfa -läge". Elektronknippen kan avsevärt förkortas i detta läge. Forskarna där har ständigt utvecklat detta speciella driftsätt i mer än 10 år. "Som ett resultat av detta utvecklingsarbete, vi kunde nu möta de utmanande fysiska kraven för att empiriskt bekräfta SSMB-principen vid MLS, " förklarar Markus Ries, acceleratorexpert på HZB.

"Teorigruppen inom SSMB-teamet hade definierat de fysiska gränsvillkoren för att uppnå optimal prestanda av maskinen under den förberedande fasen. Detta gjorde det möjligt för oss att generera de nya maskintillstånden med MLS och justera dem tillräckligt tillsammans med Deng tills vi kunde upptäcka pulsmönstren vi letade efter, " rapporterar Jörg Feikes, acceleratorfysiker vid HZB. HZB- och PTB -experterna använde en optisk laser vars ljusvåg kopplades i exakt rumslig och tidsmässig synkronisering med elektronbuntarna i MLS. Detta modulerade energierna hos elektronerna i buntarna. "Det orsakar elektronknippen, som är några millimeter långa, att delas i mikrobuntar (endast 1 μm långa) efter exakt ett varv i lagringsringen, och sedan för att avge ljuspulser som koherent förstärker varandra som i en laser, " förklarar Jörg Feikes. "Den empiriska upptäckten av den koherenta strålningen var allt annat än enkel, men våra PTB-kollegor utvecklade en innovativ optisk detekteringsenhet med vilken detekteringen var framgångsrik."

"Höjdpunkten för framtida SSMB-källor är att de genererar laserliknande strålning även utanför det synliga spektrumet av "ljus, "inom EUV -serien, till exempel, " kommenterar prof. Mathias Richter, avdelningschef vid PTB. Och Ries betonar:"I slutskedet, en SSMB-källa kan ge strålning av en ny karaktär. Pulserna är intensiva, fokuserad, och smalbandig. De kombinerar fördelarna med synkrotronljus med fördelarna med FEL-pulser, så att säga." Feikes tillägger:"Denna strålning är potentiellt lämplig för industriella tillämpningar. Den första ljuskällan baserad på SSMB specifikt för tillämpning i EUV-litografi är redan på planeringsstadiet nära Peking."

Verket publicerades den 24 februari 2021 i den ledande vetenskapliga publikationen Natur .