Esperti di acceleratori dell'Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB), l'istituto di metrologia federale tedesco Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) e l'Università Tsinghua di Pechino hanno utilizzato un laser per manipolare i fasci di elettroni presso la Metrology Light Source di PTB in modo che emettano intensi impulsi di luce con un carattere simile al laser. Usando questo metodo, sorgenti di radiazione di sincrotrone specializzate sarebbero potenzialmente in grado di colmare una lacuna nell'arsenale di sorgenti luminose disponibili e offrire un prototipo per applicazioni industriali.

Le sorgenti luminose più moderne per la ricerca si basano su acceleratori di particelle. Si tratta di grandi strutture in cui gli elettroni vengono accelerati quasi alla velocità della luce, e quindi emettono impulsi luminosi di un carattere speciale. Nelle sorgenti di radiazione di sincrotrone basate su anello di accumulo, i fasci di elettroni viaggiano nell'anello per miliardi di rivoluzioni, quindi generare una rapida successione di impulsi luminosi molto luminosi nei magneti deflettori. In contrasto, i fasci di elettroni nei laser a elettroni liberi (FEL) vengono accelerati linearmente e quindi emettono un singolo lampo super luminoso di luce simile al laser. Le sorgenti ad anello di archiviazione e le sorgenti FEL hanno facilitato i progressi in molti campi negli ultimi anni, da approfondimenti su questioni biologiche e mediche alla ricerca sui materiali, sviluppo tecnologico, e fisica quantistica.

Ora, un team sino-tedesco ha dimostrato che è possibile generare uno schema di impulsi in una sorgente di radiazione di sincrotrone che combina i vantaggi di entrambi i sistemi. La sorgente di sincrotrone fornisce brevi, intensi micromazzi di elettroni che producono impulsi di radiazione aventi un carattere simile al laser (come con i FEL), ma che possono anche susseguirsi da vicino in sequenza (come con le sorgenti di luce di sincrotrone).

L'idea, chiamato "microbunching allo stato stazionario" (SSMB), è stato sviluppato circa 10 anni fa dal principale teorico degli acceleratori Alexander Chao e dal suo dottorato di ricerca. studente Daniel Ratner alla Stanford University. Il meccanismo dovrebbe anche consentire agli anelli di accumulazione di generare impulsi luminosi non solo ad alta frequenza di ripetizione, ma anche come radiazione coerente come un laser. Il fisico Xiujie Deng della Tsinghua University, Pechino, raccolse queste idee nel suo lavoro di dottorato e le studiò ulteriormente a livello teorico.

Chao ha stabilito un contatto con i fisici dell'acceleratore dell'HZB nel 2017 che gestiscono la Metrology Light Source (MLS) al PTB oltre alla sorgente di raggi X molli BESSY II all'HZB. L'MLS è la prima sorgente luminosa al mondo ad essere ottimizzata in base alla progettazione per il funzionamento in quella che è nota come "modalità alfa bassa". I grappoli di elettroni possono essere notevolmente accorciati in questa modalità. I ricercatori hanno costantemente sviluppato questa modalità operativa speciale per più di 10 anni. "Come risultato di questo lavoro di sviluppo, ora siamo stati in grado di soddisfare gli impegnativi requisiti fisici per confermare empiricamente il principio SSMB alla MLS, " spiega Markus Ries, esperto di acceleratori presso HZB.

"Il gruppo teorico all'interno del team SSMB aveva definito le condizioni fisiche al contorno per ottenere prestazioni ottimali della macchina durante la fase preparatoria. Questo ci ha permesso di generare i nuovi stati della macchina con l'MLS e regolarli abbastanza insieme a Deng fino a quando non siamo stati in grado di rilevare i modelli di polso che stavamo cercando, " racconta Jörg Feikes, fisico degli acceleratori presso HZB. Gli esperti di HZB e PTB hanno utilizzato un laser ottico la cui onda luminosa è stata accoppiata in una precisa sincronizzazione spaziale e temporale con i fasci di elettroni nell'MLS. Questo modulava le energie degli elettroni nei grappoli. "Questo fa sì che i grappoli di elettroni, che sono lunghi pochi millimetri, dividere in micrograppoli (lunghe solo 1 μm) dopo esattamente un giro nell'anello di stoccaggio, e poi emettere impulsi luminosi che coerentemente si amplificano a vicenda come in un laser, " spiega Jörg Feikes. "La rilevazione empirica della radiazione coerente è stata tutt'altro che facile, ma i nostri colleghi del PTB hanno sviluppato un'innovativa unità di rilevamento ottico con la quale il rilevamento ha avuto successo."

"Il punto culminante delle future sorgenti SSMB è che generano radiazioni simili a laser anche oltre lo spettro visibile di "luce, " nella gamma EUV, Per esempio, " commenta il prof. Mathias Richter, capo del dipartimento di PTB. E Ries sottolinea:"Nella fase finale, una sorgente SSMB potrebbe fornire radiazioni di un nuovo carattere. Le pulsazioni sono intense, focalizzata, e a banda stretta. Combinano i vantaggi della luce di sincrotrone con i vantaggi degli impulsi FEL, per così dire." Feikes aggiunge:"Questa radiazione è potenzialmente adatta per applicazioni industriali. La prima sorgente luminosa basata su SSMB specifica per l'applicazione nella litografia EUV è già in fase di progettazione vicino a Pechino".

Il lavoro è stato pubblicato il 24 febbraio 2021 nella principale pubblicazione scientifica Natura .