Un equipo de científicos de DESY y la Universidad de Hamburgo ha logrado un hito importante en la búsqueda de un nuevo tipo de acelerador de partículas compacto. Usando pulsos ultrapotentes de luz láser, fueron capaces de producir destellos de radiación de alta energía en el rango de terahercios con una longitud de onda (color) claramente definida. La radiación de terahercios abrirá el camino a una nueva generación de aceleradores de partículas compactos que encontrarán espacio en una mesa de laboratorio. El equipo encabezado por Andreas Maier y Franz Kärtner del Centro de Hamburgo para la Ciencia del Láser de Electrones Libres (CFEL) presenta sus hallazgos en la revista Comunicaciones de la naturaleza . CFEL está gestionada conjuntamente por DESY, la Universidad de Hamburgo y la Sociedad Max Planck.

El rango de terahercios de radiación electromagnética se encuentra entre las frecuencias de infrarrojos y microondas. Los viajeros aéreos pueden estar familiarizados con la radiación de terahercios de los escáneres de cuerpo entero utilizados por la seguridad del aeropuerto para buscar objetos ocultos debajo de la ropa de una persona. Sin embargo, La radiación en este rango de frecuencia también podría usarse para construir aceleradores de partículas compactos. "La longitud de onda de la radiación de terahercios es aproximadamente mil veces más corta que las ondas de radio que se utilizan actualmente para acelerar partículas, "dice Kärtner, quien es un científico líder en DESY. "Esto significa que los componentes del acelerador también se pueden construir para que sean unas mil veces más pequeños". Por lo tanto, la generación de pulsos de terahercios de alta energía también es un paso importante para el proyecto AXSIS (fronteras en ciencia de rayos X de attosegundos:imágenes y espectroscopía) en CFEL, financiado por el Consejo Europeo de Investigación (ERC), que tiene como objetivo abrir aplicaciones completamente nuevas con aceleradores de partículas compactos de terahercios.

Sin embargo, el desplazamiento a lo largo de un número apreciable de partículas requiere potentes pulsos de radiación de terahercios que tienen una longitud de onda claramente definida. Esto es precisamente lo que el equipo ha logrado crear ahora. "Para generar pulsos de terahercios, disparamos dos potentes pulsos de luz láser en un llamado cristal no lineal, con un retraso mínimo de tiempo entre los dos, "explica Maier de la Universidad de Hamburgo. Los dos pulsos láser tienen una especie de degradado de color, lo que significa que el color en la parte frontal del pulso es diferente al de la parte posterior. El ligero desfase temporal entre los dos pulsos conduce, por tanto, a una ligera diferencia de color. "Esta diferencia radica precisamente en el rango de terahercios, ", dice Maier." El cristal convierte la diferencia de color en un pulso de terahercios ".

El método requiere que los dos pulsos láser estén sincronizados con precisión. Los científicos logran esto dividiendo un solo pulso en dos partes y enviando una de ellas en un pequeño desvío para que se retrase un poco antes de que los dos pulsos finalmente se superpongan nuevamente. Sin embargo, el gradiente de color a lo largo de los pulsos no es constante, en otras palabras, el color no cambia uniformemente a lo largo del pulso. En lugar de, el color cambia lentamente al principio, y luego cada vez más rápido, produciendo un contorno curvo. Como resultado, la diferencia de color entre los dos pulsos escalonados no es constante. La diferencia solo es apropiada para producir radiación de terahercios en un tramo estrecho del pulso.

"Ese fue un gran obstáculo para crear pulsos de terahercios de alta energía, "como informa Maier". Porque al enderezar el degradado de color de los pulsos, que hubiera sido la solución obvia, no es fácil de hacer en la práctica ". Fue el coautor Nicholas Matlis a quien se le ocurrió la idea crucial:sugirió que el perfil de color de solo uno de los dos pulsos parciales debería estirarse ligeramente a lo largo del eje del tiempo. no altera el grado con el que cambia el color a lo largo del pulso, la diferencia de color con respecto al otro pulso parcial ahora permanece constante en todo momento. "Los cambios que se deben hacer en uno de los pulsos son mínimos y sorprendentemente fáciles de lograr:todo lo que se necesitaba era insertar un tramo corto de un vidrio especial en la viga, "informa Maier." De repente, la señal de terahercios se hizo más fuerte en un factor de 13. "Además, los científicos utilizaron un cristal no lineal particularmente grande para producir la radiación de terahercios, hecho especialmente para ellos por el Instituto Japonés de Ciencia Molecular en Okazaki.

"Al combinar estas dos medidas, pudimos producir pulsos de terahercios con una energía de 0,6 milijulios, que es un récord para esta técnica y más de diez veces más alto que cualquier pulso de terahercios de longitud de onda claramente definida que se haya generado previamente por medios ópticos, ", dice Kärtner." Nuestro trabajo demuestra que es posible producir pulsos de terahercios suficientemente potentes con longitudes de onda claramente definidas para operar aceleradores de partículas compactos ".