En el Instituto Fritz Haber (FHI) de la Sociedad Max Planck de Berlín se ha logrado un hito tecnológico. Por primera vez se ha utilizado un láser infrarrojo de electrones libres (FEL) en modo bicolor. Esta tecnología única en el mundo permite experimentos con pulsos láser de dos colores sincronizados, abriendo nuevas posibilidades en la investigación.
Los láseres de electrones libres, de los cuales hay más de una docena en todo el mundo, varían significativamente en tamaño (desde unos pocos metros hasta varios kilómetros), rango de longitud de onda (desde microondas hasta rayos X duros) y costos (desde millones hasta más de una docena). mil millones). Sin embargo, todos producen pulsos de radiación cortos e intensos. Los láseres de electrones libres se han convertido en importantes fuentes de radiación en las últimas décadas y han encontrado amplias aplicaciones en la investigación básica y las ciencias aplicadas.
Investigadores del FHI han desarrollado en colaboración con socios estadounidenses un método que permite generar simultáneamente impulsos infrarrojos de dos colores diferentes. Esta innovación es particularmente importante para el estudio de los procesos temporales en sólidos y moléculas.
En un FEL, los grupos de electrones son primero acelerados a energías cinéticas muy altas mediante un acelerador de electrones, alcanzando casi la velocidad de la luz. Luego, los electrones rápidos pasan a través de un ondulador, donde son obligados a seguir un camino similar a un slalom por fuertes campos magnéticos de polaridad que varía periódicamente.
Las oscilaciones de los electrones provocan la emisión de radiación electromagnética, cuya longitud de onda puede variarse ajustando la energía de los electrones y/o la intensidad del campo magnético. Por esta razón, los FEL se pueden utilizar para generar radiación similar a un láser en casi todas las partes del espectro electromagnético, desde largos terahercios hasta longitudes de onda cortas de rayos X.
Desde 2012, un FEL ha estado en funcionamiento en el FHI, produciendo radiación pulsada intensa en el rango del infrarrojo medio (MIR), continuamente sintonizable de 2,8 a 50 micrómetros de longitud de onda. En los últimos años, los científicos e ingenieros del FHI han trabajado en una expansión de dos colores en la que se ha instalado una segunda rama FEL para generar radiación en el infrarrojo lejano (FIR) en longitudes de onda entre 5 y 170 micrómetros.
La sucursal FIR-FEL incluye un nuevo ondulador magnético híbrido, que fue construido especialmente en FHI. Además, detrás del acelerador lineal de electrones (LINAC) se instaló una cavidad kicker de 500 MHz para la desviación transversal de los electrones. La cavidad pateadora puede cambiar la dirección de los haces de electrones de alta energía a una velocidad de mil millones de veces por segundo.
En junio de 2023, el equipo de FHI demostró el primer "láser" del nuevo FIR-FEL, dirigiendo todos los haces de electrones procedentes del LINAC al FIR-FEL. En diciembre de 2023 pudieron demostrar por primera vez el funcionamiento de dos colores. En este modo, el fuerte campo eléctrico oscilante formado en la cavidad del pateador desvía cada segundo grupo de electrones hacia la izquierda y cada segundo grupo hacia la derecha.
De esta manera, el tren de electrones de alta tasa de repetición (1 GHz; 1 grupo por ns) procedente del LINAC se divide en dos trenes de grupo de la mitad de la tasa de repetición cada uno; uno se dirige al antiguo MIR-FEL y el otro al nuevo FIR-FEL. En cada FEL, variar la intensidad del campo magnético del ondulador permite una sintonización continua de la longitud de onda hasta en un factor de cuatro.
Durante aproximadamente una década, FHI-FEL ha permitido a los grupos de investigación del FHI realizar experimentos que van desde espectroscopia de grupos, nanopartículas y biomoléculas en fase gaseosa hasta espectroscopia no lineal de estado sólido y ciencia de superficies, lo que ha dado como resultado aproximadamente 100 experimentos revisados por pares. publicaciones hasta el momento.
El nuevo modo de dos colores, que no está disponible en ninguna otra instalación IR FEL en todo el mundo, permitirá experimentos novedosos como los experimentos con sonda de bomba MIR/MIR y MIR/FIR. Se espera que esto abra nuevas oportunidades para estudios experimentales en diversos campos que van desde la química física, la ciencia de los materiales, la investigación de catálisis hasta los estudios biomoleculares, contribuyendo así al desarrollo de nuevos materiales y medicamentos.
Proporcionado por la Sociedad Max Planck
