Acceleratorexperts van het Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB), het Duitse federale metrologie-instituut Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) en de Tsinghua University in Peking hebben een laser gebruikt om elektronenbundels te manipuleren bij PTB's Metrology Light Source, zodat ze intense lichtpulsen uitzonden met een laserachtig karakter. Met behulp van deze methode, gespecialiseerde synchrotronstralingsbronnen zouden mogelijk een leemte in het arsenaal aan beschikbare lichtbronnen kunnen opvullen en een prototype kunnen bieden voor industriële toepassingen.

De modernste lichtbronnen voor onderzoek zijn gebaseerd op deeltjesversnellers. Dit zijn grote faciliteiten waarin elektronen worden versneld tot bijna de lichtsnelheid, en zend dan lichtpulsen uit met een speciaal karakter. In op opslagring gebaseerde synchrotronstralingsbronnen, de elektronenbundels reizen in de ring voor miljarden omwentelingen, genereren vervolgens een snelle opeenvolging van zeer heldere lichtpulsen in de afbuigmagneten. In tegenstelling tot, de elektronenbundels in vrije-elektronenlasers (FEL's) worden lineair versneld en zenden vervolgens een enkele superheldere flits van laserachtig licht uit. Opslagringbronnen en FEL-bronnen hebben de afgelopen jaren vooruitgang op veel gebieden mogelijk gemaakt, van diepgaande inzichten in biologische en medische vraagstukken tot materiaalonderzoek, technologische ontwikkeling, en kwantumfysica.

Nutsvoorzieningen, een Chinees-Duits team heeft aangetoond dat in een synchrotronstralingsbron een patroon van pulsen kan worden gegenereerd dat de voordelen van beide systemen combineert. De synchrotronbron levert korte, intense microbundels van elektronen die stralingspulsen produceren met een laserachtig karakter (zoals bij FEL's), maar die elkaar ook nauw in volgorde kunnen volgen (zoals bij synchrotron-lichtbronnen).

Het idee, genaamd "steady-state microbunching" (SSMB), werd ongeveer 10 jaar geleden ontwikkeld door de vooraanstaande acceleratortheoreticus Alexander Chao en zijn Ph.D. student Daniel Ratner aan de Stanford University. Het mechanisme moet het ook mogelijk maken dat opslagringen lichtpulsen genereren, niet alleen met een hoge herhalingssnelheid, maar ook als coherente straling zoals een laser. De natuurkundige Xiujie Deng van de Tsinghua University, Peking, nam deze ideeën op in zijn promotiewerk en onderzocht ze verder theoretisch.

Chao heeft in 2017 contact gelegd met de versnellerfysici van de HZB die naast de zachte röntgenbron BESSY II van de HZB ook de Metrology Light Source (MLS) bij PTB bedienen. De MLS is de eerste lichtbron ter wereld die qua ontwerp is geoptimaliseerd voor gebruik in de zogenaamde 'lage alfamodus'. De elektronenbundels kunnen in deze modus aanzienlijk worden verkort. De onderzoekers daar zijn al meer dan 10 jaar constant bezig met het ontwikkelen van deze bijzondere manier van werken. "Als resultaat van dit ontwikkelingswerk, we waren nu in staat om te voldoen aan de uitdagende fysieke vereisten voor empirische bevestiging van het SSMB-principe bij de MLS, " legt Markus Ries uit, accelerator expert bij HZB.

"De theoriegroep binnen het SSMB-team had tijdens de voorbereidingsfase de fysieke randvoorwaarden gedefinieerd voor het bereiken van optimale prestaties van de machine. Hierdoor konden we de nieuwe machinestatussen genereren met de MLS en deze samen met Deng voldoende aanpassen totdat we in staat waren om de pulspatronen detecteren waarnaar we op zoek waren, " meldt Jörg Feikes, versnellerfysicus bij HZB. De experts van HZB en PTB gebruikten een optische laser waarvan de lichtgolf in nauwkeurige ruimtelijke en temporele synchronisatie was gekoppeld met de elektronenbundels in de MLS. Dit moduleerde de energieën van de elektronen in de bundels. "Dat veroorzaakt de elektronenbundels, die enkele millimeters lang zijn, te splitsen in microbundels (slechts 1 μm lang) na precies één omwenteling in de opslagring, en dan lichtpulsen uit te zenden die elkaar coherent versterken zoals in een laser, " legt Jörg Feikes uit. "De empirische detectie van de coherente straling was allesbehalve eenvoudig, maar onze PTB-collega's ontwikkelden een innovatieve optische detectie-eenheid waarmee de detectie is gelukt."

"Het hoogtepunt van toekomstige SSMB-bronnen is dat ze laserachtige straling genereren, ook buiten het zichtbare spectrum van "licht, " in het EUV-gamma, bijvoorbeeld, " opmerkingen Prof. Mathias Richter, afdelingshoofd bij PTB. En Ries benadrukt:"In de laatste fase een SSMB-bron zou straling van een nieuw karakter kunnen geven. De pulsen zijn intens, gefocust, en smalband. Ze combineren de voordelen van synchrotronlicht met de voordelen van FEL-pulsen, bij wijze van spreken." Feikes vult aan:"Deze straling is potentieel geschikt voor industriële toepassingen. De eerste lichtbron op basis van SSMB specifiek voor toepassing in EUV-lithografie bevindt zich al in de planningsfase in de buurt van Peking."

Het werk is op 24 februari 2021 gepubliceerd in de toonaangevende wetenschappelijke publicatie Natuur .