Los científicos de DESY han creado un acelerador de partículas en miniatura para electrones que puede realizar cuatro funciones diferentes con solo presionar un botón. El dispositivo experimental es impulsado por una fuente de radiación de terahercios y puede acelerar, comprimir, enfocar y analizar grupos de electrones en un haz. Sus estructuras activas miden solo unos pocos milímetros de ancho. Los desarrolladores del Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) presentan su acelerador y manipulador de electrones segmentados de terahercios (STEAM) en la revista Fotónica de la naturaleza . La radiación de terahercios se encuentra entre las microondas y el infrarrojo en el espectro electromagnético.

Una de las características centrales del dispositivo es su sincronización perfecta con el haz de electrones. Los científicos lograron esto usando el mismo pulso láser para generar un grupo de electrones y para impulsar el dispositivo. "Para hacer esto, tomamos un pulso de láser infrarrojo y lo dividimos, "explica el primer autor Dongfang Zhang del grupo de Franz Kärtner en CFEL." Ambas partes se alimentan en cristales no lineales que cambian la longitud de onda del láser:para la generación de un grupo de electrones, la longitud de onda se cambia al ultravioleta y se dirige a un fotocátodo donde libera un montón de electrones. Para STEAM, la longitud de onda se cambia al régimen de terahercios. La sincronización relativa de las dos partes del pulso láser original solo depende de la longitud del camino que toman y se puede controlar con mucha precisión ".

De esta manera, los científicos pueden controlar con precisión ultra alta, qué parte de la onda de terahercios golpea un grupo de electrones cuando ingresa al dispositivo. Dependiendo de la hora de llegada del grupo de electrones, STEAM realiza sus diferentes funciones. "Por ejemplo, un grupo que golpea la parte negativa del campo eléctrico de terahercios se acelera, "explica Zhang." Otras partes de la onda conducen al enfoque o desenfoque del grupo o a una compresión en un factor de diez más o menos ". Mientras que la compresión significa que el grupo de electrones se acorta en la dirección de vuelo, enfocar significa que se contrae perpendicularmente a la dirección de vuelo.

Adicionalmente, STEAM permite realizar un análisis de la estructura del grupo de electrones a lo largo de su trayectoria de vuelo. Para esta técnica, llamado rayado, el grupo de electrones entrantes se desvía lateralmente de tal manera que se difumina perpendicularmente a la dirección de vuelo. Cuando este montón manchado golpea un detector, produce un perfil del racimo a lo largo de su trayectoria de vuelo. El rayado se usa regularmente para analizar las estructuras de los racimos en los aceleradores de partículas. "STEAM es una especie de navaja suiza para haces de electrones, "dice Zhang. Para realizar múltiples funciones, como la compresión y el enfoque, se pueden combinar varias unidades del dispositivo.

El uso de radiación de terahercios también permite el tamaño compacto del dispositivo STEAM. "La radiación de terahercios suele tener longitudes de onda cien veces más cortas que la radiación de radiofrecuencia utilizada en los aceleradores de partículas grandes de hoy en día. Por lo tanto, todas las estructuras del dispositivo pueden encogerse en consecuencia, "explica Kärtner, quien es científico principal en DESY y profesor en la Universität Hamburg. Midiendo aproximadamente dos centímetros en el lado más grande, STEAM cabe fácilmente en una caja de cerillas. "Y ese es solo el tamaño de la vivienda. Las estructuras activas están en una escala milimétrica, "agrega Zhang.

La tecnología aún se encuentra en una etapa experimental. Los desarrolladores ven STEAM como un primer paso en el camino hacia una futura generación de compactos, aceleradores de partículas accionados por terahercios. Estos podrían habilitar nuevas aplicaciones y complementar los aceleradores actuales. También, el manipulador de bolsillo ya se puede utilizar hoy:grupos de aceleradores de todo el mundo ya lo están considerando para la caracterización de grupos, como señala Kärtner:"STEAM se puede utilizar para futuros aceleradores de mesa, pero sus diversas funciones también son interesantes para las máquinas existentes ".