Os cientistas do DESY criaram um acelerador de partículas em miniatura para elétrons que pode executar quatro funções diferentes com o apertar de um botão. O dispositivo experimental é acionado por uma fonte de radiação terahertz e pode acelerar, comprimir, focar e analisar pacotes de elétrons em um feixe. Suas estruturas ativas medem apenas alguns milímetros de diâmetro. Os desenvolvedores do Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) apresentam seu acelerador e manipulador de elétrons terahertz segmentado (STEAM) no jornal Nature Photonics . a radiação terahertz está localizada entre as microondas e o infravermelho no espectro eletromagnético.

Uma das características centrais do dispositivo é a sincronização perfeita com o feixe de elétrons. Os cientistas conseguiram isso usando o mesmo pulso de laser para gerar um feixe de elétrons e acionar o dispositivo. "Para fazer isso, pegamos um pulso de laser infravermelho e o dividimos, "explica o primeiro autor Dongfang Zhang do grupo de Franz Kärtner no CFEL." Ambas as partes são alimentadas em cristais não lineares que mudam o comprimento de onda do laser:Para a geração de um feixe de elétrons, o comprimento de onda é deslocado para ultravioleta e direcionado para um fotocátodo onde libera um monte de elétrons. Para STEAM, o comprimento de onda é alterado para o regime de terahertz. O tempo relativo das duas partes do pulso de laser original depende apenas do comprimento do caminho que elas percorrem e pode ser controlado com muita precisão. "

Por aqui, os cientistas podem controlar com altíssima precisão, qual parte da onda terahertz um feixe de elétrons atinge quando entra no dispositivo. Dependendo do tempo de chegada do grupo de elétrons, STEAM desempenha suas diferentes funções. "Por exemplo, um feixe que atinge a parte negativa do campo elétrico terahertz é acelerado, "explica Zhang." Outras partes da onda levam à focalização ou desfocagem do feixe ou a uma compressão por um fator de dez ou mais. "Embora a compressão signifique que o feixe de elétrons fica mais curto na direção do voo, focalizar significa que ele encolhe perpendicularmente à direção do vôo.

Adicionalmente, STEAM permite realizar uma análise da estrutura do feixe de elétrons ao longo de sua trajetória de vôo. Para esta técnica, chamado streaking, o feixe de elétrons que chega é desviado lateralmente de tal forma que se espalha perpendicularmente à direção do vôo. Quando este grupo manchado atinge um detector, ele produz um perfil do cacho ao longo de sua trajetória de vôo. O streaking é regularmente usado para analisar as estruturas dos grupos em aceleradores de partículas. "STEAM é uma espécie de canivete suíço para feixes de elétrons, "diz Zhang. Para realizar várias funções, como compressão e foco, várias unidades do dispositivo podem ser combinadas.

O uso de radiação terahertz também permite o tamanho compacto do dispositivo STEAM. "A radiação Terahertz normalmente tem comprimentos de onda cem vezes mais curtos do que a radiação de radiofrequência usada nos grandes aceleradores de partículas de hoje. Portanto, todas as estruturas no dispositivo podem encolher de acordo, "explica Kärtner, que é cientista chefe do DESY e professor da Universität Hamburg. Medindo cerca de dois centímetros no lado maior, STEAM cabe facilmente em uma caixa de fósforos. "E esse é apenas o tamanho da caixa. As estruturas ativas estão em uma escala milimétrica, "acrescenta Zhang.

A tecnologia ainda está em fase experimental. Os desenvolvedores veem o STEAM como um primeiro passo na estrada para uma futura geração de compactos, aceleradores de partículas acionados por terahertz. Isso poderia permitir novos aplicativos e complementar os aceleradores de hoje. Também, o manipulador de bolso já pode ser utilizado hoje:grupos de aceleradores ao redor do mundo já o estão considerando para caracterização de cachos, como Kärtner aponta:"STEAM pode ser usado para futuros aceleradores de mesa, mas suas várias funções também são interessantes para as máquinas existentes. "