Un nuovo modo di produrre luce coerente nella regione spettrale dell'ultravioletto, che indica la strada per lo sviluppo di brillanti sorgenti di raggi X da tavolo, è stato prodotto in una ricerca condotta presso l'Università di Strathclyde.

Gli scienziati hanno sviluppato un tipo di sorgente di luce coerente a lunghezza d'onda ultracorta che non richiede l'azione del laser per produrre coerenza. Sorgenti luminose comuni a fascio di elettroni, note come sorgenti luminose di quarta generazione, si basano sul laser a elettroni liberi (FEL), che utilizza un ondulatore per convertire l'energia del fascio di elettroni in raggi X.

Le sorgenti luminose coerenti sono potenti strumenti che consentono la ricerca in molte aree della medicina, biologia, scienze dei materiali, chimica e fisica.

Questo nuovo modo di produrre radiazioni coerenti potrebbe rivoluzionare le sorgenti luminose, in quanto li renderebbe molto compatti, essenzialmente dimensioni da tavolo, e in grado di produrre impulsi di luce di durata ultracorta, molto più breve di quanto possa essere prodotto facilmente con qualsiasi altro mezzo.

Rendere più ampiamente disponibili le sorgenti luminose coerenti con raggi X e ultravioletti trasformerebbe il modo in cui si fa la scienza; un'università potrebbe avere uno dei dispositivi in ​​una singola stanza, su un tavolo, per un prezzo ragionevole.

Il gruppo sta ora pianificando un esperimento di prova del principio nella gamma spettrale dell'ultravioletto per dimostrare questo nuovo modo di produrre luce coerente. In caso di successo, dovrebbe accelerare drasticamente lo sviluppo di sorgenti coerenti con lunghezze d'onda ancora più corte basate sullo stesso principio. Il gruppo Strathclyde ha istituito una struttura per indagare su questi tipi di fonti:lo Scottish Centre for the Application of Plasma-based Accelerators (SCAPA), che ospita uno dei laser più potenti del Regno Unito.

La nuova ricerca è stata pubblicata in Rapporti scientifici , uno di Natura famiglia di riviste.

Professor Dino Jaroszynski, del Dipartimento di Fisica di Strathclyde, ha condotto la ricerca. Dice che "questo lavoro fa avanzare in modo significativo lo stato dell'arte delle sorgenti di sincrotrone proponendo un nuovo metodo per produrre radiazione coerente a lunghezza d'onda corta, utilizzando un breve ondulatore e fasci di elettroni di durata ad attosecondi."

"Questo è più compatto e meno impegnativo per la qualità del fascio di elettroni rispetto ai laser a elettroni liberi e potrebbe fornire un cambio di paradigma nelle sorgenti luminose, che stimolerebbe una nuova direzione di ricerca. Propone di utilizzare la compressione del grappolo, come nei laser di amplificazione dell'impulso cinguettio, all'interno dell'ondulatore per migliorare significativamente la luminosità della radiazione".

"Il nuovo metodo presentato sarebbe di grande interesse per una comunità diversificata che sviluppa e utilizza sorgenti luminose".

Nei FEL, come in tutti i laser, l'intensità della luce è amplificata da un meccanismo di feedback che blocca le fasi dei singoli radiatori, che in questo caso sono elettroni "liberi". Nel FEL, ciò si ottiene facendo passare un fascio di elettroni ad alta energia attraverso l'ondulatore, che è una serie di magneti a polarità alternata.

La luce emessa dagli elettroni mentre si muovono attraverso l'ondulatore crea una forza chiamata forza ponderomotrice che raggruppa gli elettroni:alcuni sono rallentati, alcuni sono accelerati, che provoca il raggruppamento, simile al traffico su un'autostrada che rallenta e accelera periodicamente.

Gli elettroni che passano attraverso l'ondulatore irradiano luce incoerente se sono distribuiti uniformemente:per ogni elettrone che emette luce, c'è un altro elettrone che annulla parzialmente la luce perché irradiano fuori fase. Un'analogia di questo parziale annullamento è la pioggia sul mare:essa produce tante piccole increspature che in parte si annullano a vicenda, reprimendo efficacemente le onde, riducendo la loro ampiezza. In contrasto, vento costante o pulsante farà amplificare le onde attraverso la reciproca interazione del vento con il mare.

Nel FEL, il raggruppamento di elettroni provoca l'amplificazione della luce e l'aumento della sua coerenza, che di solito richiede molto tempo, quindi sono necessari ondulatori molto lunghi. In un FEL a raggi X, gli ondulatori possono essere lunghi più di cento metri. Gli acceleratori che guidano questi FEL a raggi X sono lunghi chilometri, il che rende questi dispositivi molto costosi e alcuni degli strumenti più grandi al mondo.

Però, l'uso di un laser a elettroni liberi per produrre una radiazione coerente non è l'unico modo; un fascio "pre-raggruppato" o un fascio di elettroni ultracorto può anche essere usato per ottenere esattamente la stessa coerenza in un ondulatore molto corto che è meno di un metro di lunghezza. Finché il fascio di elettroni è più corto della lunghezza d'onda della luce prodotta dall'ondulatore, produrrà automaticamente luce coerente:tutte le onde luminose si sommeranno o interferiranno in modo costruttivo, che porta a una luce molto brillante con esattamente le stesse proprietà della luce di un laser.

I ricercatori hanno dimostrato teoricamente che ciò può essere ottenuto utilizzando un acceleratore di wakefield laser-plasma, che produce fasci di elettroni che possono avere una lunghezza di poche decine di nanometri. Mostrano che se questi fasci ultracorti di elettroni ad alta energia passano attraverso un breve ondulatore, possono produrre quanti fotoni possono produrre un FEL molto costoso. Inoltre, hanno anche dimostrato che producendo un fascio di elettroni che ha un "cinguettio" energetico, possono comprimere balisticamente il grappolo per una brevissima durata all'interno dell'ondulatore, che fornisce un modo unico di andare a fasci di elettroni ancora più corti e quindi produrre luce di lunghezza d'onda ancora più corta.