Uma equipe de cientistas do DESY e da Universidade de Hamburgo alcançou um marco importante na busca por um novo tipo de acelerador de partículas compactas. Usando pulsos ultra-poderosos de luz laser, eles foram capazes de produzir flashes de radiação de alta energia na faixa de terahertz com um comprimento de onda (cor) nitidamente definido. A radiação Terahertz abre caminho para uma nova geração de aceleradores de partículas compactas que encontrarão espaço em uma bancada de laboratório. A equipe chefiada por Andreas Maier e Franz Kärtner, do Centro de Ciência do Laser de Elétrons Livres (CFEL) de Hamburgo, apresenta suas descobertas na revista Nature Communications . O CFEL é administrado em conjunto pelo DESY, a Universidade de Hamburgo e a Sociedade Max Planck.

A faixa de terahertz da radiação eletromagnética fica entre as frequências de infravermelho e de micro-ondas. Os viajantes aéreos podem estar familiarizados com a radiação terahertz dos scanners de corpo inteiro usados ​​pela segurança do aeroporto para procurar objetos escondidos sob as roupas de uma pessoa. Contudo, radiação nesta faixa de frequência também pode ser usada para construir aceleradores de partículas compactas. "O comprimento de onda da radiação terahertz é cerca de mil vezes menor do que as ondas de rádio que são usadas atualmente para acelerar partículas, "diz Kärtner, que é um cientista líder no DESY. "Isso significa que os componentes do acelerador também podem ser construídos para ser cerca de mil vezes menores." A geração de pulsos de terahertz de alta energia é, portanto, também um passo importante para o projeto AXSIS (fronteiras na ciência de raios-X de Attosegundo:Imagem e Espectroscopia) no CFEL, financiado pelo Conselho Europeu de Pesquisa (ERC), que visa abrir aplicações completamente novas com aceleradores de partículas compactos de terahertz.

Contudo, agitar ao longo de um número apreciável de partículas exige pulsos poderosos de radiação terahertz com um comprimento de onda bem definido. Isso é exatamente o que a equipe conseguiu criar agora. "Para gerar pulsos de terahertz, nós disparamos dois poderosos pulsos de luz laser em um chamado cristal não linear, com um atraso mínimo de tempo entre os dois, "explica Maier, da Universidade de Hamburgo. Os dois pulsos de laser têm uma espécie de gradiente de cor, o que significa que a cor na frente do pulso é diferente da cor atrás. A ligeira mudança de tempo entre os dois pulsos, portanto, leva a uma ligeira diferença na cor. "Essa diferença está precisamente na faixa de terahertz, "diz Maier." O cristal converte a diferença de cor em um pulso de terahertz.

O método requer que os dois pulsos de laser sejam precisamente sincronizados. Os cientistas conseguem isso dividindo um único pulso em duas partes e enviando uma delas em um curto desvio, de modo que seja ligeiramente atrasado antes que os dois pulsos sejam eventualmente sobrepostos novamente. Contudo, o gradiente de cor ao longo dos pulsos não é constante, em outras palavras, a cor não muda uniformemente ao longo do pulso. Em vez de, a cor muda lentamente no início, e cada vez mais rapidamente, produzindo um contorno curvo. Como resultado, a diferença de cor entre os dois pulsos escalonados não é constante. A diferença só é apropriada para produzir radiação terahertz em um trecho estreito do pulso.

"Esse foi um grande obstáculo para a criação de pulsos terahertz de alta energia, "como Maier relata." Porque endireitando o gradiente de cor dos pulsos, qual teria sido a solução óbvia, não é fácil de fazer na prática. ”Foi o coautor Nicholas Matlis quem teve a ideia crucial:ele sugeriu que o perfil de cor de apenas um dos dois pulsos parciais deveria ser alongado ligeiramente ao longo do eixo do tempo. não altera o grau com que a cor muda ao longo do pulso, a diferença de cor em relação ao outro pulso parcial agora permanece constante o tempo todo. "As mudanças que precisam ser feitas em um dos pulsos são mínimas e surpreendentemente fáceis de conseguir:tudo o que foi necessário foi inserir um pequeno pedaço de vidro especial na viga, "relata Maier." De repente, o sinal de terahertz ficou mais forte por um fator de 13. "Além disso, os cientistas usaram um cristal não linear particularmente grande para produzir a radiação terahertz, feito especialmente para eles pelo Instituto Japonês de Ciência Molecular em Okazaki.

"Ao combinar essas duas medidas, fomos capazes de produzir pulsos de terahertz com uma energia de 0,6 milijoules, que é um recorde para esta técnica e mais de dez vezes maior do que qualquer pulso de terahertz de comprimento de onda claramente definido que foi gerado anteriormente por meios ópticos, "diz Kärtner." Nosso trabalho demonstra que é possível produzir pulsos de terahertz suficientemente poderosos com comprimentos de onda bem definidos para operar aceleradores de partículas compactas. "