Gli scienziati di DESY hanno creato un acceleratore di particelle in miniatura per elettroni in grado di svolgere quattro diverse funzioni premendo un pulsante. Il dispositivo sperimentale è guidato da una sorgente di radiazioni terahertz e può accelerare, comprimere, focalizzare e analizzare i fasci di elettroni in un fascio. Le sue strutture attive misurano solo pochi millimetri di diametro. Gli sviluppatori del Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) presentano il loro acceleratore e manipolatore di elettroni terahertz segmentati (STEAM) sulla rivista Fotonica della natura . La radiazione terahertz si trova tra le microonde e l'infrarosso nello spettro elettromagnetico.

Una delle caratteristiche centrali del dispositivo è il suo perfetto tempismo con il fascio di elettroni. Gli scienziati hanno ottenuto questo risultato utilizzando lo stesso impulso laser per generare un fascio di elettroni e per guidare il dispositivo. "Per fare questo, prendiamo un impulso laser a infrarossi e lo dividiamo, " spiega il primo autore Dongfang Zhang del gruppo di Franz Kärtner al CFEL. "Entrambe le parti vengono alimentate in cristalli non lineari che cambiano la lunghezza d'onda del laser:per la generazione di un fascio di elettroni la lunghezza d'onda viene spostata nell'ultravioletto e diretta su un fotocatodo dove rilascia un mucchio di elettroni. Per STEAM la lunghezza d'onda viene spostata nel regime dei terahertz. La tempistica relativa delle due parti dell'impulso laser originale dipende solo dalla lunghezza del percorso che intraprendono e può essere controllata in modo molto preciso".

Per di qua, gli scienziati possono controllare con altissima precisione, quale parte dell'onda terahertz colpisce un gruppo di elettroni quando entra nel dispositivo. A seconda del tempo di arrivo del fascio di elettroni, STEAM svolge le sue diverse funzioni. "Ad esempio, un mazzo che colpisce la parte negativa del campo elettrico terahertz viene accelerato, " spiega Zhang. "Altre parti dell'onda portano alla messa a fuoco o alla defocalizzazione del fascio o a una compressione di un fattore dieci o giù di lì." Mentre la compressione significa che il fascio di elettroni si accorcia nella direzione del volo, messa a fuoco significa che si restringe perpendicolarmente alla direzione di volo.

Inoltre, STEAM permette di effettuare un'analisi della struttura del fascio di elettroni lungo il suo percorso di volo. Per questa tecnica, chiamato striature, il fascio di elettroni in arrivo viene deviato lateralmente in modo tale da risultare spalmato perpendicolarmente alla direzione di volo. Quando questo gruppo imbrattato colpisce un rilevatore, produce un profilo del grappolo lungo il suo percorso di volo. Lo streaking viene regolarmente utilizzato per analizzare le strutture dei grappoli negli acceleratori di particelle. "STEAM è una sorta di coltellino svizzero per fasci di elettroni, " dice Zhang. Per svolgere più funzioni, come compressione e messa a fuoco, è possibile combinare più unità del dispositivo.

L'uso della radiazione terahertz consente anche le dimensioni compatte del dispositivo STEAM. "La radiazione terahertz ha tipicamente lunghezze d'onda cento volte più corte rispetto alla radiazione a radiofrequenza utilizzata nei grandi acceleratori di particelle di oggi. Pertanto, tutte le strutture del dispositivo possono ridursi di conseguenza, " spiega Kartner, che è capo scienziato al DESY e professore all'Universität Hamburg. Misurando solo circa due centimetri sul lato più grande, STEAM entra facilmente in una scatola di fiammiferi. "E questa è solo la dimensione dell'alloggiamento. Le strutture attive sono su una scala millimetrica, "aggiunge Zhang.

La tecnologia è ancora in fase sperimentale. Gli sviluppatori vedono STEAM come un primo passo sulla strada verso una futura generazione di compatte, acceleratori di particelle azionati da terahertz. Questi potrebbero consentire nuove applicazioni e integrare gli acceleratori di oggi. Anche, il manipolatore tascabile può essere già utilizzato oggi:gruppi acceleratori di tutto il mondo lo stanno già considerando per la caratterizzazione dei grappoli, come sottolinea Kärtner:"STEAM può essere utilizzato per futuri acceleratori da tavolo, ma le sue varie funzioni sono interessanti anche per le macchine esistenti."