Un equipo de investigación dirigido por físicos de la Universidad de Michigan ha desarrollado una forma de generar sincrotrón utilizando un dispositivo del tamaño de una cabeza de fósforo. Típicamente, La radiación de sincrotrón se genera en instalaciones del tamaño de varios campos de fútbol. Crédito:Austin Thomason / Fotografía de Michigan
Físicos de la Universidad de Michigan han liderado el desarrollo de un dispositivo del tamaño de una cabeza de fósforo que puede doblar la luz dentro de un cristal para generar radiación de sincrotrón en un laboratorio.
Cuando los físicos doblan haces muy intensos de partículas cargadas en órbitas circulares cercanas a la velocidad de la luz, esta flexión arroja trozos de luz, o radiografías, llamada radiación sincrotrón. Los investigadores dirigidos por U-M utilizaron su dispositivo para doblar la luz visible para producir luz con una longitud de onda en el rango de terahercios. Este rango de longitud de onda es considerablemente mayor que el de la luz visible, pero mucho más pequeñas que las ondas que produce su microondas, y pueden penetrar la ropa.
La radiación de sincrotrón generalmente se genera en instalaciones a gran escala, que suelen tener el tamaño de varios estadios de fútbol. En lugar de, Los investigadores de la U-M, Roberto Merlin y el equipo de Meredith Henstridge, desarrollaron una forma de producir radiación de sincrotrón imprimiendo un patrón de antenas microscópicas de oro en la cara pulida de un cristal de tantalato de litio. llamado metasuperficie. El equipo de la U-M, que también incluyó a investigadores de la Universidad de Purdue, usó un láser para pulsar la luz a través del patrón de antenas, que curvó la luz y produjo radiación de sincrotrón.
"En lugar de utilizar lentes y moduladores de luz espacial para realizar este tipo de experimento, lo descubrimos simplemente modelando una superficie con una metasuperficie, puedes lograr un fin similar, "dijo Merlín, profesor de física e ingeniería eléctrica e informática. "Para que la luz se convierta en una curva, tienes que esculpir cada pieza del haz de luz a una intensidad y fase particulares, y ahora podemos hacer esto de una manera extremadamente quirúrgica ".
Anthony Grbic, Profesor U-M de Ingeniería Eléctrica e Informática, dirigió el equipo que diseñó la metasuperficie con el ex estudiante de doctorado Carl Pfeiffer desarrollando la metasuperficie.
La metasuperficie está compuesta por aproximadamente 10 millones de diminutas antenas en forma de bumerán. Cada antena es considerablemente más pequeña que la longitud de onda de la luz que incide, dijo Henstridge, autor principal del estudio. Los investigadores utilizan un láser que produce ráfagas o pulsos de luz "ultracortos" que duran una billonésima de segundo. El conjunto de antenas hace que el pulso de luz se acelere a lo largo de una trayectoria curva dentro del cristal.
Dispositivo microscópico que dobla la luz. Crédito:Austin Thomason / Fotografía de Michigan
El pulso de luz crea una colección de dipolos eléctricos, o un grupo de pares de carga positiva y negativa. Esta colección de dipolos acelera a lo largo de la trayectoria curva del pulso de luz, resultando en la emisión de radiación de sincrotrón, según Henstridge, quien obtuvo su doctorado en la U-M y ahora es científica postdoctoral en el Instituto Max Planck para la Estructura y Dinámica de la Materia en Hamburgo, Alemania.
El dispositivo de los investigadores produce radiación de sincrotrón que contiene muchas frecuencias de terahercios porque los pulsos de luz viajan solo una fracción de un círculo. Pero esperan perfeccionar su dispositivo para que el pulso de luz gire continuamente a lo largo de una trayectoria circular, produciendo radiación de sincrotrón a una sola frecuencia de terahercios.
La comunidad científica utiliza fuentes de terahercios de frecuencia única para estudiar el comportamiento de átomos o moléculas dentro de un sólido dado. líquido o gas. Comercialmente, Las fuentes de terahercios se utilizan para escanear artículos ocultos en la ropa y en las cajas de embalaje. Drogas Todos los gases explosivos y tóxicos tienen "huellas dactilares" únicas en el rango de terahercios que podrían identificarse mediante espectroscopía de terahercios.
Los usos del dispositivo no se limitan a la industria de la seguridad.
"La radiación de terahercios es útil para la obtención de imágenes en las ciencias biomédicas, "Dijo Henstridge." Por ejemplo, se ha utilizado para distinguir entre tejido canceroso y tejido sano. Un chip fuente de terahercios de frecuencia única, como un pequeño sincrotrón impulsado por luz como nuestro dispositivo, puede permitir nuevos avances en todas estas aplicaciones ".
