Expertos en aceleradores de Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB), El instituto federal alemán de metrología Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) y la Universidad de Tsinghua en Beijing han utilizado un láser para manipular grupos de electrones en la fuente de luz de metrología de PTB para que emitan pulsos de luz intensos con un carácter similar al de un láser. Usando este método, Las fuentes de radiación de sincrotrón especializadas podrían potencialmente llenar un vacío en el arsenal de fuentes de luz disponibles y ofrecer un prototipo para aplicaciones industriales.

Las fuentes de luz más modernas para la investigación se basan en aceleradores de partículas. Se trata de grandes instalaciones en las que los electrones se aceleran casi a la velocidad de la luz. y luego emitir pulsos de luz de carácter especial. En fuentes de radiación de sincrotrón basadas en anillos de almacenamiento, los racimos de electrones viajan en el anillo durante miles de millones de revoluciones, luego genere una rápida sucesión de pulsos de luz muy brillantes en los imanes deflectores. A diferencia de, los grupos de electrones en los láseres de electrones libres (FEL) se aceleran linealmente y luego emiten un solo destello superbrillante de luz similar a un láser. Las fuentes de anillo de almacenamiento, así como las fuentes de FEL, han facilitado avances en muchos campos en los últimos años. desde conocimientos profundos sobre cuestiones biológicas y médicas hasta investigación de materiales, desarrollo tecnológico, y física cuántica.

Ahora, un equipo chino-alemán ha demostrado que se puede generar un patrón de pulsos en una fuente de radiación de sincrotrón que combina las ventajas de ambos sistemas. La fuente de sincrotrón ofrece breves microbunchos intensos de electrones que producen pulsos de radiación que tienen un carácter similar al de un láser (como con los FEL), pero que también pueden seguirse de cerca en secuencia (como con las fuentes de luz de sincrotrón).

La idea, denominada "microagrupación de estado estable" (SSMB), fue desarrollado hace unos 10 años por el destacado teórico del acelerador Alexander Chao y su Ph.D. estudiante Daniel Ratner en la Universidad de Stanford. El mecanismo también debería permitir que los anillos de almacenamiento generen pulsos de luz no solo a una alta tasa de repetición, pero también como radiación coherente como un láser. El físico Xiujie Deng de la Universidad de Tsinghua, Beijing, retomó estas ideas en su trabajo de doctorado y las investigó más teóricamente.

Chao estableció contacto con los físicos de aceleradores en HZB en 2017 que operan la fuente de luz de metrología (MLS) en PTB además de la fuente de rayos X suave BESSY II en HZB. El MLS es la primera fuente de luz del mundo optimizada por diseño para funcionar en lo que se conoce como "modo alfa bajo". Los grupos de electrones se pueden acortar en gran medida en este modo. Los investigadores han estado desarrollando constantemente este modo especial de funcionamiento durante más de 10 años. "Como resultado de este trabajo de desarrollo, ahora pudimos cumplir con los desafiantes requisitos físicos para confirmar empíricamente el principio SSMB en la MLS, "explica Markus Ries, experto en aceleradores en HZB.

"El grupo teórico dentro del equipo de SSMB había definido las condiciones de límite físico para lograr un rendimiento óptimo de la máquina durante la fase preparatoria. Esto nos permitió generar los nuevos estados de la máquina con el MLS y ajustarlos lo suficiente junto con Deng hasta que pudimos detectar los patrones de pulso que estábamos buscando, "informa Jörg Feikes, físico de aceleradores en HZB. Los expertos en HZB y PTB utilizaron un láser óptico cuya onda de luz se acopló en una sincronización espacial y temporal precisa con los grupos de electrones en el MLS. Esto moduló las energías de los electrones en los racimos. "Eso hace que los grupos de electrones, que tienen unos pocos milímetros de largo, para dividir en microbunches (solo 1 μm de largo) después de exactamente una revolución en el anillo de almacenamiento, y luego emitir pulsos de luz que se amplifican coherentemente entre sí como en un láser, "explica Jörg Feikes." La detección empírica de la radiación coherente no fue nada fácil, pero nuestros colegas de PTB desarrollaron una innovadora unidad de detección óptica con la que la detección tuvo éxito ".

"Lo más destacado de las futuras fuentes de SSMB es que generan radiación similar a un láser también más allá del espectro visible de" luz, "en la gama EUV, por ejemplo, "comenta el profesor Mathias Richter, jefe de departamento de PTB. Y Ries enfatiza:"En la etapa final, una fuente SSMB podría proporcionar radiación de un nuevo carácter. Los pulsos son intensos, enfocado y banda estrecha. Combinan las ventajas de la luz de sincrotrón con las ventajas de los pulsos FEL, por así decirlo ". Feikes añade:" Esta radiación es potencialmente adecuada para aplicaciones industriales. La primera fuente de luz basada en SSMB específicamente para su aplicación en litografía EUV ya se encuentra en la etapa de planificación cerca de Beijing ".

El trabajo fue publicado el 24 de febrero de 2021 en la principal publicación científica Naturaleza .