В электромагнитном спектре терагерцовое излучение находится между инфракрасным излучением и микроволнами. Ускорители элементарных частиц обычно используют электромагнитное излучение радиочастотного диапазона; Ускоритель частиц DESY PETRA III, например, использует частоту около 500 мегагерц.
Длина волны терагерцового излучения, используемого в этом эксперименте, примерно в тысячу раз короче. «Преимущество в том, что все остальное тоже может быть в тысячу раз меньше», — объясняет Картнер, который также является профессором Гамбургского университета и Массачусетского технологического института, а также членом Гамбургского центра сверхбыстрой визуализации (CUI). один из кластеров передового опыта Германии.Для своего прототипа ученые использовали специальный микроструктурированный модуль ускорителя, специально предназначенный для работы с терагерцовым излучением. Физики запустили быстрые электроны в миниатюрный модуль ускорителя, используя электронную пушку, предоставленную группой профессора CFEL Дуэйна Миллера, директора Института структуры и динамики материи Макса Планка, а также члена CUI. Затем электроны были дополнительно ускорены терагерцовым излучением, подаваемым в модуль.
Этот первый прототип терагерцового ускорителя смог увеличить энергию частиц на семь килоэлектронвольт (кэВ).«Это не особенно большое ускорение, но эксперимент демонстрирует, что принцип действительно работает на практике», — объясняет соавтор Арья Фаллахи из CFEL, который провел теоретические расчеты. «Теория показывает, что мы должны быть в состоянии достичь градиента ускорения до одного гигавольта на метр». Это более чем в десять раз больше, чем можно достичь с помощью лучших традиционных модулей ускорителей, доступных сегодня.
Технология плазменных ускорителей, которая сейчас также находится на экспериментальной стадии, обещает обеспечить еще более высокие ускорения, однако она также требует значительно более мощных лазеров, чем те, которые необходимы для терагерцовых ускорителей.Физики подчеркивают, что терагерцовая технология представляет большой интерес как в отношении будущих линейных ускорителей для использования в физике элементарных частиц, так и в качестве средства создания компактных рентгеновских лазеров и источников электронов для использования в исследованиях материалов, а также в медицинских приложениях с использованием рентгеновского излучения. -лучей и электронного излучения. «Быстрый прогресс, который мы наблюдаем в области терагерцовой генерации с помощью оптических методов, позволит в будущем разрабатывать терагерцовые ускорители для этих приложений», — говорит первый автор Эмилио Нанни из Массачусетского технологического института. В ближайшие годы команда CFEL в Гамбурге планирует создать компактный экспериментальный рентгеновский лазер на свободных электронах (XFEL) в лабораторном масштабе с использованием терагерцовой технологии. Этот проект поддержан синергетическим грантом Европейского исследовательского совета.
Так называемые лазеры на свободных электронах (ЛСЭ) генерируют вспышки лазерного света, отправляя высокоскоростные электроны от ускорителя частиц по волнообразному пути, в результате чего они излучают свет каждый раз, когда они отклоняются. Тот же принцип будет использоваться в европейском рентгеновском лазере XFEL, который в настоящее время строится международным консорциумом, простирающимся от кампуса DESY в Гамбурге до соседнего города Шенефельд в земле Шлезвиг-Гольштейн. Весь объект будет протяженностью более трех километров.
Ожидается, что экспериментальный XFEL, использующий терагерцовую технологию, будет меньше метра в длину. «Мы ожидаем, что такое устройство будет производить гораздо более короткие рентгеновские импульсы длительностью менее фемтосекунды», — говорит Картнер. Поскольку импульсы такие короткие, они достигают пиковой яркости, сопоставимой с импульсами, производимыми более крупными объектами, даже если в каждом импульсе значительно меньше света. «С помощью этих очень коротких импульсов мы надеемся по-новому взглянуть на чрезвычайно быстрые химические процессы, такие как процессы фотосинтеза».Детальное понимание фотосинтеза откроет возможность искусственно реализовать этот эффективный процесс и, таким образом, задействовать все более эффективное преобразование солнечной энергии и новые пути сокращения выбросов CO2. Помимо этого, исследователей интересуют многие другие химические реакции.
Как отмечает Картнер, «фотосинтез — это лишь один пример многих возможных каталитических процессов, которые мы хотели бы изучить». Компактный XFEL потенциально может также использоваться для посева импульсов на крупномасштабных предприятиях для повышения качества их импульсов.
Кроме того, некоторые методы медицинской визуализации могут выиграть от улучшенных характеристик нового источника рентгеновского излучения.
