Una pietra miliare tecnologica è stata raggiunta presso l'Istituto Fritz Haber (FHI) della Società Max Planck di Berlino. Per la prima volta, un laser infrarosso a elettroni liberi (FEL) è stato utilizzato in modalità a due colori. Questa tecnologia unica a livello mondiale consente esperimenti con impulsi laser bicolore sincronizzati, aprendo nuove possibilità nella ricerca.
I laser a elettroni liberi, di cui ce ne sono più di una dozzina in tutto il mondo, variano in modo significativo in termini di dimensioni (da pochi metri a diversi chilometri), gamma di lunghezze d'onda (dalle microonde ai raggi X duri) e costi (da milioni a più di un milione). miliardi). Tuttavia, producono tutti impulsi di radiazione intensi e brevi. I laser a elettroni liberi sono diventati importanti fonti di radiazioni negli ultimi decenni, trovando ampie applicazioni nella ricerca di base e nelle scienze applicate.
I ricercatori della FHI hanno ora sviluppato in collaborazione con partner americani un metodo che consente la generazione simultanea di impulsi infrarossi in due colori diversi. Questa innovazione è particolarmente importante per lo studio dei processi temporali nei solidi e nelle molecole.
In un FEL, i gruppi di elettroni vengono prima accelerati a energie cinetiche molto elevate da un acceleratore di elettroni, raggiungendo quasi la velocità della luce. Quindi, gli elettroni veloci passano attraverso un ondulatore, dove vengono forzati su un percorso simile a uno slalom da forti campi magnetici di polarità periodicamente variabile.
Le oscillazioni degli elettroni portano all'emissione di radiazioni elettromagnetiche, la cui lunghezza d'onda può essere variata regolando l'energia degli elettroni e/o l'intensità del campo magnetico. Per questo motivo, i FEL possono essere utilizzati per generare radiazioni simili al laser in quasi tutte le parti dello spettro elettromagnetico, dai lunghi terahertz alle lunghezze d'onda dei raggi X corte.
Dal 2012, presso l'FHI è in funzione un FEL, che produce un'intensa radiazione pulsata nella gamma del medio infrarosso (MIR), regolabile in continuo da 2,8 a 50 micrometri di lunghezza d'onda. Negli ultimi anni, scienziati e ingegneri della FHI hanno lavorato su un'espansione bicolore in cui è stato installato un secondo ramo FEL per generare radiazioni nel lontano infrarosso (FIR) a lunghezze d'onda comprese tra 5 e 170 micrometri.
Il ramo FIR-FEL comprende un nuovo ondulatore a magnete ibrido, costruito appositamente presso la FHI. Inoltre, dietro l'acceleratore lineare di elettroni (LINAC) è stata installata una cavità kicker da 500 MHz per la deflessione trasversale degli elettroni. La cavità kicker può cambiare la direzione dei gruppi di elettroni ad alta energia a una velocità di 1 miliardo di volte al secondo.
Nel giugno 2023, il team FHI ha dimostrato il primo "lasing" del nuovo FIR-FEL, dirigendo tutti i gruppi di elettroni provenienti dal LINAC al FIR-FEL. Nel dicembre 2023 hanno potuto dimostrare per la prima volta il funzionamento a due colori. In questa modalità, il forte campo elettrico oscillante formato nella cavità kicker devia un gruppo di elettroni su due verso sinistra e un gruppo su due verso destra.
In questo modo, il treno di pacchetti di elettroni ad alta velocità di ripetizione (1 GHz; 1 gruppo per ns) proveniente dal LINAC viene suddiviso in due treni di pacchetti con metà della velocità di ripetizione ciascuno; uno è indirizzato al vecchio MIR-FEL e l'altro al nuovo FIR-FEL. In ciascun FEL, la variazione dell'intensità del campo magnetico dell'ondulatore consente la regolazione continua della lunghezza d'onda fino a un fattore quattro.
Per circa un decennio, il FHI-FEL ha consentito ai gruppi di ricerca del FHI di condurre esperimenti che vanno dalla spettroscopia di cluster, nanoparticelle e biomolecole in fase gassosa alla spettroscopia non lineare dello stato solido e alla scienza delle superfici, risultando in circa 100 esperimenti sottoposti a peer review. pubblicazioni finora.
La nuova modalità a due colori, non disponibile in nessun’altra struttura IR FEL in tutto il mondo, consentirà nuovi esperimenti come gli esperimenti con sonda a pompa MIR/MIR e MIR/FIR. Si prevede che ciò aprirà nuove opportunità per studi sperimentali in diversi campi che vanno dalla chimica fisica, alla scienza dei materiali, alla ricerca sulla catalisi fino agli studi biomolecolari, contribuendo così allo sviluppo di nuovi materiali e farmaci.
Fornito dalla Max Planck Society
