Gli scienziati di DESY hanno raggiunto un nuovo record mondiale per un tipo sperimentale di acceleratore di particelle in miniatura:per la prima volta, un acceleratore a terahertz ha più che raddoppiato l'energia degli elettroni iniettati. Allo stesso tempo, la configurazione ha migliorato significativamente la qualità del fascio di elettroni rispetto ai precedenti esperimenti con la tecnica, come Dongfang Zhang e i suoi colleghi del Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) al rapporto DESY sulla rivista ottica . "Abbiamo raggiunto i migliori parametri del fascio finora per gli acceleratori terahertz, " disse Zhang.

"Questo risultato rappresenta un passo avanti fondamentale per l'implementazione pratica di acceleratori alimentati a terahertz, " ha sottolineato Franz Kärtner, che dirige il gruppo di ottica ultraveloce e raggi X di DESY. La radiazione terahertz si trova tra le frequenze dell'infrarosso e delle microonde nello spettro elettromagnetico e promette una nuova generazione di acceleratori di particelle compatti. "La lunghezza d'onda della radiazione terahertz è circa cento volte più corta delle onde radio attualmente utilizzate per accelerare le particelle, " ha spiegato Kärtner. "Ciò significa che i componenti dell'acceleratore possono anche essere costruiti per essere circa cento volte più piccoli." L'approccio terahertz promette acceleratori delle dimensioni di un laboratorio che consentiranno applicazioni completamente nuove, ad esempio come sorgenti di raggi X compatte per materiali scienza e forse anche per l'imaging medico.La tecnologia è attualmente in fase di sviluppo.

Poiché le onde terahertz oscillano così velocemente, ogni componente e ogni passaggio devono essere sincronizzati con precisione. "Ad esempio, per ottenere il miglior guadagno energetico, gli elettroni devono colpire il campo terahertz esattamente durante il suo semiciclo di accelerazione, " ha spiegato Zhang. Negli acceleratori, le particelle di solito non volano in un raggio continuo, ma sono confezionati in mazzi. A causa del campo in rapida evoluzione, negli acceleratori terahertz questi grappoli devono essere molto corti per garantire condizioni di accelerazione uniformi lungo il grappolo.

"Negli esperimenti precedenti i fasci di elettroni erano troppo lunghi", disse Zhang. "Dal momento che il campo terahertz oscilla così rapidamente, alcuni degli elettroni nel gruppo sono stati accelerati, mentre altri sono stati addirittura rallentati. Così, in totale c'è stato solo un moderato guadagno energetico medio, e, cosa è più importante, un'ampia diffusione di energia, con conseguente ciò che chiamiamo scarsa qualità del raggio." A peggiorare le cose, questo effetto ha aumentato fortemente l'emittanza, una misura di quanto bene un fascio di particelle è impacchettato trasversalmente. Il più stretto, meglio è, minore è l'emittanza.

Per migliorare la qualità del raggio, Zhang e i suoi colleghi hanno costruito un acceleratore a due fasi da un dispositivo multiuso che avevano sviluppato in precedenza:l'acceleratore e manipolatore di elettroni Terahertz segmentati (STEAM) può comprimere, messa a fuoco, accelerare e analizzare fasci di elettroni con radiazione terahertz. I ricercatori hanno combinato due dispositivi STEAM in linea. Hanno prima compresso i fasci di elettroni in ingresso da circa 0,3 millimetri di lunghezza a soli 0,1 millimetri. Con il secondo dispositivo STEAM, hanno accelerato i grappoli compressi. "Questo schema richiede un controllo a livello di quadrilionesimi di secondo, che abbiamo raggiunto, " ha detto Zhang "Ciò ha portato a una riduzione di quattro volte della diffusione dell'energia e ha migliorato l'emittanza di sei volte, ottenendo i migliori parametri del fascio di un acceleratore terahertz finora".

Il guadagno netto di energia degli elettroni che sono stati iniettati con un'energia di 55 kiloelettronvolt (keV) era di 70 keV. "Questo è il primo aumento di energia superiore al 100% in un acceleratore alimentato a terahertz, " ha sottolineato Zhang. Il dispositivo accoppiato ha prodotto un campo di accelerazione con una forza di picco di 200 milioni di Volt per metro (MV/m) - vicino agli acceleratori convenzionali più potenti all'avanguardia. Per le applicazioni pratiche questo deve ancora essere notevolmente migliorato "Il nostro lavoro mostra che è possibile anche una compressione più di tre volte più forte dei fasci di elettroni. Insieme a un'energia terahertz più elevata, sembrano fattibili gradienti di accelerazione nel regime dei gigavolt per metro, " ha riassunto Zhang. "Il concetto di terahertz appare quindi sempre più promettente come opzione realistica per la progettazione di acceleratori di elettroni compatti".