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| Photo by White.Rainforest ∙ 易雨白林. on Unsplash |
Radiación onduladora coherente en el ultravioleta al vacío a partir de racimos de electrones de attosegundos
Los racimos de electrones relativistas de duración de attosegundos que viajan a través de un ondulador pueden generar una brillante radiación coherente en el rango espectral del visible al ultravioleta del vacío. Presentamos simulaciones numéricas completas para estudiar las propiedades de la emisión coherente para una amplia gama de energías de electrones y duraciones de racimos, incluyendo los efectos de carga espacial. Éstas demuestran que los racimos de electrones con una duración r.m.s. de 50 as, una carga nominal de 0,1 pC y un rango de energía de 100-250 MeV producen 109 fotones coherentes por pulso en el rango de longitudes de onda de 100-600 nm. Demostramos que esto puede mejorarse sustancialmente mediante la autocompresión de racimos de 100 pC con chirrido negativo en el ondulador para producir 1014 fotones coherentes con una duración de pulso de 0,5-3 fs.
Una nueva forma de producir luz coherente en la región espectral del ultravioleta, que señala el camino para desarrollar fuentes brillantes de rayos X de mesa, ha sido producida en una investigación dirigida en la Universidad de Strathclyde.
Los científicos han desarrollado un tipo de fuente de luz coherente de longitud de onda ultracorta que no requiere la acción del láser para producir coherencia. Las fuentes de luz habituales basadas en haces de electrones, conocidas como fuentes de luz de cuarta generación, se basan en el láser de electrones libres (FEL), que utiliza un ondulador para convertir la energía del haz de electrones en rayos X.
Las fuentes de luz coherentes son potentes herramientas que permiten investigar en muchos ámbitos de la medicina, la biología, las ciencias de los materiales, la química y la física.
Esta nueva forma de producir radiación coherente podría revolucionar las fuentes de luz, ya que las haría muy compactas, esencialmente del tamaño de una mesa, y capaces de producir pulsos de luz de duración ultracorta, mucho más cortos de lo que se puede producir fácilmente por cualquier otro medio.
La generalización de las fuentes de luz coherente ultravioleta y de rayos X transformaría la forma de hacer ciencia; una universidad podría tener uno de los dispositivos en una sola sala, sobre una mesa, por un precio razonable.
El grupo está planeando ahora un experimento de prueba en el rango espectral ultravioleta para demostrar esta nueva forma de producir luz coherente. Si tiene éxito, debería acelerar drásticamente el desarrollo de fuentes coherentes de longitud de onda aún más corta basadas en el mismo principio. El grupo de Strathclyde ha creado una instalación para investigar este tipo de fuentes: el Centro Escocés para la Aplicación de Aceleradores Basados en Plasma (SCAPA), que alberga uno de los láseres de mayor potencia del Reino Unido.
La nueva investigación se ha publicado en Scientific Reports, una de las revistas de la familia Nature.
El profesor Dino Jaroszynski, del Departamento de Física de Strathclyde, dirigió la investigación. Afirma que "este trabajo supone un avance significativo en el estado de la técnica de las fuentes de sincrotrón al proponer un nuevo método de producción de radiación coherente de longitud de onda corta, utilizando un ondulador corto y haces de electrones de duración de attosegundos".
"Este método es más compacto y menos exigente con la calidad del haz de electrones que los láseres de electrones libres y podría suponer un cambio de paradigma en las fuentes de luz, lo que estimularía una nueva dirección de investigación". Se propone utilizar la compresión de racimos -como en los láseres de amplificación de pulsos chirpados- dentro del ondulador para mejorar significativamente el brillo de la radiación."
"El nuevo método presentado sería de amplio interés para una comunidad diversa que desarrolla y utiliza fuentes de luz".
En los FEL, como en todos los láseres, la intensidad de la luz se amplifica mediante un mecanismo de retroalimentación que bloquea las fases de los radiadores individuales, que en este caso son electrones "libres". En el FEL, esto se consigue haciendo pasar un haz de electrones de alta energía a través del ondulador, que es un conjunto de imanes de polaridad alterna.
La luz emitida por los electrones al pasar por el ondulador crea una fuerza llamada fuerza ponderomotriz que agrupa a los electrones: algunos se ralentizan y otros se aceleran, lo que provoca un agrupamiento similar al del tráfico en una autopista que se ralentiza y acelera periódicamente.
Los electrones que pasan por el ondulador irradian luz incoherente si están distribuidos uniformemente: por cada electrón que emite luz, hay otro electrón que anula parcialmente la luz porque irradian fuera de fase. Una analogía de esta anulación parcial es la lluvia sobre el mar: produce muchas pequeñas ondulaciones que se anulan parcialmente entre sí, lo que apaga las olas y reduce su amplitud. Por el contrario, el viento constante o pulsante hará que las olas se amplifiquen a través de la interacción mutua del viento con el mar.
En el FEL, el agrupamiento de electrones provoca la amplificación de la luz y el aumento de su coherencia, lo que suele llevar mucho tiempo, por lo que se necesitan onduladores muy largos. En un FEL de rayos X, los onduladores pueden tener más de cien metros de longitud. Los aceleradores que impulsan estos FEL de rayos X tienen una longitud de kilómetros, lo que hace que estos dispositivos sean muy caros y se conviertan en algunos de los instrumentos más grandes del mundo.
Sin embargo, el uso de un láser de electrones libres para producir radiación coherente no es la única manera; también se puede utilizar un haz "preagrupado" o un manojo de electrones ultracorto para conseguir exactamente la misma coherencia en un ondulador muy corto de menos de un metro de longitud. Mientras el haz de electrones sea más corto que la longitud de onda de la luz producida por el ondulador, producirá automáticamente luz coherente: todas las ondas de luz se sumarán o interferirán constructivamente, lo que dará lugar a una luz muy brillante con exactamente las mismas propiedades de la luz de un láser.
Los investigadores han demostrado teóricamente que esto puede lograrse utilizando un acelerador de campo de estela de láser-plasma, que produce racimos de electrones que pueden tener una longitud de unas decenas de nanómetros. Han demostrado que si estos racimos ultracortos de electrones de alta energía pasan por un ondulador corto, pueden producir tantos fotones como los que puede producir un FEL muy caro. Además, también han demostrado que al producir un racimo de electrones que tiene un "chirrido" de energía, pueden comprimir balísticamente el racimo a una duración muy corta dentro del ondulador, lo que proporciona una forma única de pasar a racimos de electrones aún más cortos y, por tanto, producir luz de longitud de onda aún más corta.
Fuentes, créditos y referencias:
Más información: Enrico Brunetti et al, Vacuum ultraviolet coherent undulator radiation from attosecond electron bunches, Scientific Reports (2021). DOI: 10.1038/s41598-021-93640-8
Traido gracias a PhysOrg