Especialistas em aceleradores do Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB), o instituto federal alemão de metrologia Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) e a Universidade de Tsinghua, em Pequim, usaram um laser para manipular feixes de elétrons na fonte de luz metrológica do PTB para que emitissem pulsos de luz intensos com caráter semelhante ao do laser. Usando este método, fontes de radiação síncrotron especializadas seriam potencialmente capazes de preencher uma lacuna no arsenal de fontes de luz disponíveis e oferecer um protótipo para aplicações industriais.

As fontes de luz mais modernas para pesquisa são baseadas em aceleradores de partículas. Estas são grandes instalações nas quais os elétrons são acelerados até quase a velocidade da luz, e então emitem pulsos de luz de um caráter especial. Em fontes de radiação síncrotron baseadas em anel de armazenamento, os feixes de elétrons viajam no anel por bilhões de revoluções, em seguida, gere uma sucessão rápida de pulsos de luz muito brilhantes nos ímãs de deflexão. Em contraste, os feixes de elétrons em lasers de elétrons livres (FELs) são acelerados linearmente e então emitem um único flash superclaro de luz semelhante a laser. Fontes de anel de armazenamento, bem como fontes de FEL têm facilitado avanços em muitos campos nos últimos anos, desde insights profundos sobre questões biológicas e médicas até a pesquisa de materiais, desenvolvimento de tecnologia, e física quântica.

Agora, uma equipe sino-alemã mostrou que um padrão de pulsos pode ser gerado em uma fonte de radiação síncrotron que combina as vantagens de ambos os sistemas. A fonte do síncrotron oferece curto, microbunches intensos de elétrons que produzem pulsos de radiação com um caráter de laser (como com FELs), mas que também podem seguir uns aos outros em seqüência (como com fontes de luz síncrotron).

A ideia, chamado de "microbunching em estado estacionário" (SSMB), foi desenvolvido há cerca de 10 anos pelo importante teórico do acelerador Alexander Chao e seu Ph.D. estudante Daniel Ratner na Universidade de Stanford. O mecanismo também deve permitir que os anéis de armazenamento gerem pulsos de luz não apenas em uma alta taxa de repetição, mas também como radiação coerente como um laser. O físico Xiujie Deng da Universidade Tsinghua, Pequim, pegou essas idéias em seu trabalho de doutorado e investigou-as mais teoricamente.

Chao estabeleceu contato com os físicos aceleradores do HZB em 2017 que operam a Metrology Light Source (MLS) no PTB, além da fonte de raios-X suave BESSY II no HZB. O MLS é a primeira fonte de luz no mundo a ser otimizada por projeto para operação no que é conhecido como "modo alfa baixo". Os feixes de elétrons podem ser bastante reduzidos neste modo. Os pesquisadores desenvolveram constantemente esse modo especial de operação por mais de 10 anos. “Como resultado deste trabalho de desenvolvimento, agora fomos capazes de atender aos desafiadores requisitos físicos para confirmar empiricamente o princípio SSMB no MLS, "explica Markus Ries, especialista em aceleradores na HZB.

"O grupo de teoria dentro da equipe SSMB definiu as condições físicas de limite para alcançar o desempenho ideal da máquina durante a fase preparatória. Isso nos permitiu gerar os novos estados da máquina com o MLS e ajustá-los o suficiente junto com Deng até que pudéssemos detectar os padrões de pulso que procuramos, "relata Jörg Feikes, físico acelerador do HZB. Os especialistas em HZB e PTB usaram um laser óptico cuja onda de luz foi acoplada em sincronização espacial e temporal precisa com os feixes de elétrons no MLS. Isso modulou as energias dos elétrons nos cachos. "Isso faz com que os feixes de elétrons, que têm alguns milímetros de comprimento, para dividir em microbunches (apenas 1 μm de comprimento) após exatamente uma revolução no anel de armazenamento, e então emitir pulsos de luz que se amplificam de forma coerente como em um laser, "explica Jörg Feikes." A detecção empírica da radiação coerente foi tudo menos fácil, mas nossos colegas do PTB desenvolveram uma unidade de detecção óptica inovadora com a qual a detecção foi bem-sucedida. "

"O destaque das futuras fontes de SSMB é que elas geram radiação semelhante a laser também além do espectro visível da" luz, "na faixa EUV, por exemplo, "comenta o Prof. Mathias Richter, chefe de departamento do PTB. E Ries enfatiza:“Na fase final, uma fonte SSMB poderia fornecer radiação de um novo caráter. Os pulsos são intensos, focado, e banda estreita. Eles combinam as vantagens da luz síncrotron com as vantagens dos pulsos FEL, por assim dizer. ”Feikes acrescenta:“ Esta radiação é potencialmente adequada para aplicações industriais. A primeira fonte de luz baseada em SSMB especificamente para aplicação em litografia EUV já está em fase de planejamento perto de Pequim. "

O trabalho foi publicado em 24 de fevereiro de 2021 na principal publicação científica Natureza .