Un gruppo di ricerca guidato dai fisici dell'Università del Michigan ha sviluppato un modo per generare il sincrotrone utilizzando un dispositivo delle dimensioni di una testa di fiammifero. Tipicamente, la radiazione di sincrotrone viene generata in strutture delle dimensioni di diversi campi da calcio. Credito:Austin Thomason/Michigan Photography
I fisici dell'Università del Michigan hanno guidato lo sviluppo di un dispositivo delle dimensioni di una testa di fiammifero in grado di piegare la luce all'interno di un cristallo per generare radiazione di sincrotrone in un laboratorio.
Quando i fisici piegano fasci molto intensi di particelle cariche in orbite circolari vicine alla velocità della luce, questo piegarsi getta frammenti di luce, o raggi X, chiamata radiazione di sincrotrone. I ricercatori guidati dall'U-M hanno usato il loro dispositivo per piegare la luce visibile per produrre luce con una lunghezza d'onda nell'intervallo dei terahertz. Questa gamma di lunghezze d'onda è considerevolmente più ampia di quella della luce visibile, ma molto più piccole delle onde prodotte dal microonde e possono penetrare nei vestiti.
La radiazione di sincrotrone viene solitamente generata in impianti su larga scala, che sono in genere le dimensioni di diversi stadi di calcio. Anziché, I ricercatori della UM Roberto Merlin e il team di Meredith Henstridge hanno sviluppato un modo per produrre radiazione di sincrotrone stampando un modello di microscopiche antenne d'oro sulla faccia lucida di un cristallo di tantalato di litio, chiamato metasuperficie. Il team dell'UM, che comprendeva anche ricercatori della Purdue University, usato un laser per pulsare la luce attraverso il modello di antenne, che piegava la luce e produceva radiazione di sincrotrone.
"Invece di utilizzare lenti e modulatori di luce spaziale per eseguire questo tipo di esperimento, abbiamo capito semplicemente modellando una superficie con una metasuperficie, puoi raggiungere un fine simile, " disse Merlino, professore di fisica, ingegneria elettrica e informatica. "Per far curvare la luce, devi scolpire ogni pezzo del raggio di luce con una particolare intensità e fase, e ora possiamo farlo in modo estremamente chirurgico".
Anthony Grbi, Professore U-M di ingegneria elettrica e informatica, ha guidato il team che ha progettato la metasuperficie con l'ex studente di dottorato Carl Pfeiffer che ha sviluppato la metasuperficie.
La metasuperficie è composta da circa 10 milioni di minuscole antenne a forma di boomerang. Ogni antenna è considerevolmente più piccola della lunghezza d'onda della luce incidente, disse Henstridge, autore principale dello studio. I ricercatori utilizzano un laser che produce lampi o impulsi di luce "ultracorti" che durano un trilionesimo di secondo. La schiera di antenne fa sì che l'impulso luminoso acceleri lungo una traiettoria curva all'interno del cristallo.
Dispositivo microscopico che piega la luce. Credito:Austin Thomason/Michigan Photography
L'impulso luminoso crea un insieme di dipoli elettrici, o, un gruppo di coppie di cariche positive e negative. Questa collezione di dipoli accelera lungo la traiettoria curva dell'impulso luminoso, con conseguente emissione di radiazione di sincrotrone, secondo Henstridge, che ha conseguito il dottorato alla U-M ed è ora ricercatrice post-dottorato presso il Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter ad Amburgo, Germania.
Il dispositivo dei ricercatori produce radiazione di sincrotrone che contiene molte frequenze terahertz perché gli impulsi luminosi viaggiano solo per una frazione di cerchio. Ma sperano di perfezionare il loro dispositivo in modo che l'impulso luminoso ruoti continuamente lungo un percorso circolare, producendo radiazione di sincrotrone ad una singola frequenza terahertz.
La comunità scientifica utilizza sorgenti terahertz a frequenza singola per studiare il comportamento di atomi o molecole all'interno di un dato solido, liquido o gas. Commercialmente, Le fonti terahertz vengono utilizzate per scansionare gli articoli nascosti negli indumenti e nelle casse di imballaggio. Droghe, i gas esplosivi e tossici hanno tutti "impronte digitali" uniche nell'intervallo dei terahertz che potrebbero essere identificati utilizzando la spettroscopia dei terahertz.
Gli usi del dispositivo non sono limitati al settore della sicurezza.
"La radiazione terahertz è utile per l'imaging nelle scienze biomediche, "Henstridge ha detto. "Per esempio, è stato usato per distinguere tra tessuto canceroso e sano. Un chip, sorgente terahertz a frequenza singola, come un piccolo sincrotrone guidato dalla luce come il nostro dispositivo, può consentire nuovi progressi in tutte queste applicazioni."
