Natuurkundigen van de Universiteit van Michigan hebben geleid tot de ontwikkeling van een apparaat ter grootte van een luciferkop dat licht in een kristal kan buigen om synchrotronstraling in een laboratorium te genereren.

Wanneer natuurkundigen zeer intense bundels van geladen deeltjes buigen in cirkelvormige banen in de buurt van de lichtsnelheid, deze buiging werpt stukjes licht af, of röntgenfoto's, synchrotronstraling genoemd. De door U-M geleide onderzoekers gebruikten hun apparaat om zichtbaar licht te buigen om licht te produceren met een golflengte in het terahertz-bereik. Dit golflengtebereik is aanzienlijk groter dan dat van zichtbaar licht, maar veel kleiner dan de golven die uw magnetron produceert - en kan door kleding heen dringen.

Synchrotronstraling wordt meestal opgewekt in grootschalige installaties, die typisch zo groot zijn als verschillende voetbalstadions. In plaats daarvan, UM-onderzoekers Roberto Merlin en het team van Meredith Henstridge ontwikkelden een manier om synchrotronstraling te produceren door een patroon van microscopische gouden antennes af te drukken op het gepolijste oppervlak van een lithiumtantalaatkristal, een meta-oppervlak genoemd. Het U-M-team, waaronder ook onderzoekers van Purdue University, een laser gebruikt om licht door het patroon van antennes te pulseren, die het licht afbogen en synchrotronstraling produceerden.

"In plaats van lenzen en ruimtelijke lichtmodulatoren te gebruiken om dit soort experimenten uit te voeren, we kwamen erachter door simpelweg een oppervlak te patroon met een meta-oppervlak, je kunt een soortgelijk doel bereiken, " zei Merlijn, hoogleraar natuurkunde en elektrotechniek en informatica. "Om licht te laten buigen, je moet elk stuk van de lichtstraal vormgeven tot een bepaalde intensiteit en fase, en nu kunnen we dit op een uiterst chirurgische manier doen."

Anthony Grbic, U-M hoogleraar elektrotechniek en informatica, leidde het team dat het meta-oppervlak ontwierp met voormalig promovendus Carl Pfeiffer die het meta-oppervlak ontwikkelde.

Het meta-oppervlak bestaat uit ongeveer 10 miljoen minuscule boemerangvormige antennes. Elke antenne is aanzienlijk kleiner dan de golflengte van het invallende licht, zei Henstridge, hoofdauteur van de studie. De onderzoekers gebruiken een laser die "ultrakorte" uitbarstingen of lichtpulsen produceert die een biljoenste van een seconde duren. De reeks antennes zorgt ervoor dat de lichtpuls versnelt langs een gebogen baan in het kristal.

De lichtpuls creëert een verzameling elektrische dipolen - of, een groep van positieve en negatieve ladingsparen. Deze dipoolverzameling versnelt langs het gebogen traject van de lichtpuls, resulterend in de emissie van synchrotronstraling, volgens Henstridge, die haar doctoraat behaalde aan de U-M en nu een postdoctoraal wetenschapper is aan het Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter in Hamburg, Duitsland.

Het apparaat van de onderzoekers produceert synchrotronstraling die veel terahertz-frequenties bevat, omdat de lichtpulsen slechts een fractie van een cirkel afleggen. Maar ze hopen hun apparaat zo te verfijnen dat de lichtpuls continu langs een cirkelvormig pad draait, synchrotronstraling produceren met een enkele terahertz-frequentie.

De wetenschappelijke gemeenschap gebruikt terahertz-bronnen met één frequentie om het gedrag van atomen of moleculen in een bepaalde vaste stof te bestuderen, vloeistof of gas. commercieel, terahertz-bronnen worden gebruikt om items te scannen die verborgen zijn in kleding- en verpakkingskratten. Verdovende middelen, explosieve en giftige gassen hebben allemaal unieke "vingerafdrukken" in het terahertz-bereik die kunnen worden geïdentificeerd met behulp van terahertz-spectroscopie.

Het gebruik van het apparaat is niet beperkt tot de beveiligingsindustrie.

"Terahertz-straling is nuttig voor beeldvorming in de biomedische wetenschappen, ' zei Henstridge. 'Bijvoorbeeld, het is gebruikt om onderscheid te maken tussen kanker en gezond weefsel. Een on-chip, terahertz-bron met enkele frequentie, zoals een kleine door licht aangedreven synchrotron zoals ons apparaat, kan zorgen voor nieuwe ontwikkelingen in al deze toepassingen."