Un team di scienziati di DESY e dell'Università di Amburgo ha raggiunto un'importante pietra miliare nella ricerca di un nuovo tipo di acceleratore di particelle compatto. Utilizzando impulsi ultra potenti di luce laser, sono stati in grado di produrre lampi di radiazione particolarmente ad alta energia nella gamma dei terahertz con una lunghezza d'onda (colore) nettamente definita. La radiazione Terahertz aprirà la strada a una nuova generazione di acceleratori di particelle compatti che troveranno spazio su un banco di laboratorio. Il team guidato da Andreas Maier e Franz Kärtner del Centro di Amburgo per la scienza del laser a elettroni liberi (CFEL) presenta i suoi risultati sulla rivista Comunicazioni sulla natura . CFEL è gestito congiuntamente da DESY, l'Università di Amburgo e la Max Planck Society.

La gamma terahertz della radiazione elettromagnetica si trova tra le frequenze infrarosse e microonde. I viaggiatori aerei potrebbero avere familiarità con le radiazioni terahertz degli scanner a corpo intero utilizzati dalla sicurezza aeroportuale per cercare oggetti nascosti sotto gli indumenti di una persona. Però, le radiazioni in questa gamma di frequenze potrebbero essere utilizzate anche per costruire acceleratori di particelle compatti. "La lunghezza d'onda della radiazione terahertz è circa mille volte più corta delle onde radio attualmente utilizzate per accelerare le particelle, "dice Kartner, che è uno scienziato capo presso DESY. "Ciò significa che i componenti dell'acceleratore possono anche essere costruiti per essere circa mille volte più piccoli". La generazione di impulsi terahertz ad alta energia è quindi anche un passo importante per il progetto AXSIS (frontiers in Attosecond X-ray Science:Imaging and Spectroscopy) al CFEL, finanziato dal Consiglio europeo della ricerca (CER), che mira ad aprire applicazioni completamente nuove con acceleratori di particelle terahertz compatti.

Però, muoversi lungo un numero apprezzabile di particelle richiede potenti impulsi di radiazione terahertz aventi una lunghezza d'onda nettamente definita. Questo è esattamente ciò che il team è riuscito a creare ora. "Per generare impulsi terahertz, spariamo due potenti impulsi di luce laser in un cosiddetto cristallo non lineare, con un ritardo minimo tra i due, " spiega Maier dell'Università di Amburgo. I due impulsi laser hanno una sorta di sfumatura di colore, il che significa che il colore nella parte anteriore del polso è diverso da quello nella parte posteriore. Il leggero sfasamento temporale tra i due impulsi comporta quindi una leggera differenza di colore. "Questa differenza sta proprio nella gamma terahertz, " dice Maier. "Il cristallo converte la differenza di colore in un impulso terahertz."

Il metodo richiede che i due impulsi laser siano sincronizzati con precisione. Gli scienziati ottengono questo risultato dividendo un singolo impulso in due parti e inviandone uno in una breve deviazione in modo che venga leggermente ritardato prima che i due impulsi si sovrappongano nuovamente. Però, il gradiente di colore lungo gli impulsi non è costante, in altre parole il colore non cambia uniformemente lungo la lunghezza dell'impulso. Anziché, il colore cambia lentamente all'inizio, e poi sempre più velocemente, producendo un contorno curvo. Di conseguenza, la differenza di colore tra i due impulsi sfalsati non è costante. La differenza è appropriata solo per la produzione di radiazioni terahertz su un tratto ristretto dell'impulso.

"Questo è stato un grosso ostacolo alla creazione di impulsi terahertz ad alta energia, " come riporta Maier. "Poiché raddrizzando il gradiente di colore degli impulsi, che sarebbe stata la soluzione ovvia, non è facile da fare in pratica." È stato il co-autore Nicholas Matlis ad avere l'idea cruciale:ha suggerito che il profilo colore di uno solo dei due impulsi parziali dovrebbe essere allungato leggermente lungo l'asse del tempo. non altera il grado con cui il colore cambia lungo il polso, la differenza di colore rispetto all'altro impulso parziale ora rimane sempre costante. "Le modifiche che devono essere apportate a uno degli impulsi sono minime e sorprendentemente facili da ottenere:tutto ciò che è stato necessario è stato inserire un breve tratto di un vetro speciale nella trave, " riferisce Maier. "All'improvviso, il segnale terahertz è diventato più forte di un fattore 13." Inoltre, gli scienziati hanno usato un cristallo non lineare particolarmente grande per produrre la radiazione terahertz, appositamente realizzati per loro dall'Istituto giapponese di scienze molecolari di Okazaki.

"Combinando queste due misure, siamo stati in grado di produrre impulsi terahertz con un'energia di 0,6 millijoule, che è un record per questa tecnica e più di dieci volte superiore a qualsiasi impulso terahertz di lunghezza d'onda nettamente definita che è stato precedentemente generato con mezzi ottici, " afferma Kärtner. "Il nostro lavoro dimostra che è possibile produrre impulsi terahertz sufficientemente potenti con lunghezze d'onda ben definite per far funzionare acceleratori di particelle compatti".