Een team van wetenschappers van DESY en de Universiteit van Hamburg heeft een belangrijke mijlpaal bereikt in de zoektocht naar een nieuw type compacte deeltjesversneller. Met behulp van ultra-krachtige pulsen van laserlicht, ze waren in staat om bijzonder hoogenergetische flitsen van straling te produceren in het terahertz-bereik met een scherp gedefinieerde golflengte (kleur). Terahertz-straling moet de weg vrijmaken voor een nieuwe generatie compacte deeltjesversnellers die plaats zullen vinden op een laboratoriumbank. Het team onder leiding van Andreas Maier en Franz Kärtner van het Hamburg Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) presenteert zijn bevindingen in het tijdschrift Natuurcommunicatie . CFEL wordt gezamenlijk gerund door DESY, de Universiteit van Hamburg en de Max Planck Society.

Het terahertz-bereik van elektromagnetische straling ligt tussen de infrarood- en microgolffrequenties. Luchtreizigers zijn misschien bekend met terahertz-straling van de full-body scanners die door de luchthavenbeveiliging worden gebruikt om te zoeken naar objecten die verborgen zijn onder iemands kleding. Echter, straling in dit frequentiebereik kan ook worden gebruikt om compacte deeltjesversnellers te bouwen. "De golflengte van terahertz-straling is ongeveer duizend keer korter dan de radiogolven die momenteel worden gebruikt om deeltjes te versnellen, " zegt Kartner, die een hoofdwetenschapper is bij DESY. "Dit betekent dat de componenten van het gaspedaal ook zo'n duizend keer kleiner kunnen worden gebouwd." Het genereren van terahertz-pulsen met hoge energie is daarom ook een belangrijke stap voor het AXSIS-project (frontiers in Attosecond X-ray Science:Imaging and Spectrscopy) bij CFEL, gefinancierd door de Europese Onderzoeksraad (ERC), die tot doel heeft volledig nieuwe toepassingen te openen met compacte terahertz-deeltjesversnellers.

Echter, chivvy langs een aanzienlijk aantal deeltjes vereist krachtige pulsen van terahertz-straling met een scherp gedefinieerde golflengte. Dit is precies wat het team nu heeft weten te creëren. "Om terahertz-pulsen te genereren, we schieten twee krachtige pulsen laserlicht in een zogenaamd niet-lineair kristal, met een minimale vertraging tussen de twee, " legt Maier van de Universiteit van Hamburg uit. De twee laserpulsen hebben een soort kleurverloop, wat betekent dat de kleur aan de voorkant van de puls anders is dan aan de achterkant. De kleine tijdsverschuiving tussen de twee pulsen leidt dus tot een klein kleurverschil. "Dit verschil ligt precies in het terahertz-bereik, "zegt Maier. "Het kristal zet het kleurverschil om in een terahertz-puls."

De methode vereist dat de twee laserpulsen nauwkeurig worden gesynchroniseerd. De wetenschappers bereiken dit door een enkele puls in twee delen te splitsen en een van hen op een korte omweg te sturen, zodat het enigszins wordt vertraagd voordat de twee pulsen uiteindelijk weer worden gesuperponeerd. Echter, het kleurverloop langs de pulsen is niet constant, met andere woorden, de kleur verandert niet gelijkmatig over de lengte van de puls. In plaats daarvan, de kleur verandert in het begin langzaam, en dan steeds sneller, het produceren van een gebogen omtrek. Als resultaat, het kleurverschil tussen de twee verspringende pulsen is niet constant. Het verschil is alleen geschikt voor het produceren van terahertz-straling over een smal stuk van de puls.

"Dat was een groot obstakel voor het creëren van energierijke terahertz-pulsen, " zoals Maier meldt. "Omdat het rechttrekken van het kleurverloop van de pulsen, wat de voor de hand liggende oplossing zou zijn geweest, is in de praktijk niet eenvoudig." Het was co-auteur Nicholas Matlis die op het cruciale idee kwam:hij suggereerde dat het kleurprofiel van slechts één van de twee deelpulsen iets langs de tijdas zou moeten worden uitgerekt. verandert niets aan de mate waarin de kleur verandert langs de puls, het kleurverschil ten opzichte van de andere deelpuls blijft nu altijd constant. "De wijzigingen die aan een van de pulsen moeten worden aangebracht, zijn minimaal en verrassend eenvoudig te realiseren:het enige dat nodig was, was een korte lengte van een speciaal glas in de straal, " meldt Maier. "Plotseling, het terahertz-signaal werd een factor 13 sterker." de wetenschappers gebruikten een bijzonder groot niet-lineair kristal om de terahertz-straling te produceren, speciaal voor hen gemaakt door het Japanese Institute for Molecular Science in Okazaki.

"Door deze twee maatregelen te combineren, we waren in staat om terahertz-pulsen te produceren met een energie van 0,6 millijoule, wat een record is voor deze techniek en meer dan tien keer hoger dan enige terahertz-puls met een scherp gedefinieerde golflengte die eerder met optische middelen is gegenereerd, " zegt Kärtner. "Ons werk toont aan dat het mogelijk is om voldoende krachtige terahertz-pulsen met scherp gedefinieerde golflengten te produceren om compacte deeltjesversnellers te laten werken."