Un equipo interdisciplinario de investigadores ha construido el primer prototipo de un acelerador de partículas en miniatura que usa radiación de terahercios en lugar de estructuras de radiofrecuencia. Un solo módulo de acelerador tiene solo 1,5 centímetros de largo y un milímetro de espesor. La tecnología de terahercios promete miniaturizar elconfiguración completa de al menos un factor de 100, como señalan los científicos que rodean a Franz Kärtner de DESY del Centro para la Ciencia del Láser Libre de Electrones CFEL. Presentan su prototipo, que se instaló en el laboratorio de Kärtner en MassachusettsInstituto de Tecnología MIT en los Estados Unidos, en la revista Comunicaciones de la naturaleza . Los autores ven numerosas aplicaciones para aceleradores de terahercios, en ciencia de materiales, medicina y física de partículas, así como en la construcción de láseres de rayos X. CFEL es una cooperación entre DESY, la Universidad de Hamburgo y la Sociedad Max Planck.
En el espectro electromagnético, la radiación de terahercios se encuentra entre la radiación infrarroja y las microondas. Los aceleradores de partículas generalmente dependen de la radiación electromagnética del rango de frecuencia de radio; el acelerador de partículas de DESY, PETRA III, por ejemplo, usa una frecuencia de alrededor de 500 megahercios. La longitud de onda delLa radiación de terahercios utilizada en este experimento es mil veces más corta. "La ventaja es que todo lo demás también puede ser mil veces más pequeño", explica Kärtner, quien también es profesor en la Universidad de Hamburgo y en el MIT, además de sermiembro del Centro de imágenes ultrarrápidas de Hamburgo CUI, uno de los grupos de excelencia de Alemania.
Para su prototipo, los científicos usaron un módulo acelerador microestructurado especial, diseñado específicamente para usarse con radiación de terahercios. Los físicos dispararon electrones rápidos al módulo acelerador en miniatura usando un tipo de cañón de electrones proporcionado por el grupo de CFEL Profesor Dwayne Miller, Directoren el Instituto Max Planck para la Estructura y Dinámica de la Materia y también miembro de CUI. Los electrones fueron acelerados aún más por la radiación de terahercios alimentada al módulo. Este primer prototipo de un acelerador de terahercios fue capaz de aumentar la energía de las partículaspor siete kiloelectronvoltios keV.
"Esta no es una aceleración particularmente grande, pero el experimento demuestra que el principio funciona en la práctica", explica la coautora Arya Fallahi de CFEL, quien hizo los cálculos teóricos. "La teoría indica que deberíamos poder lograrun gradiente de aceleración de hasta un gigavoltio por metro ". Esto es más de diez veces lo que se puede lograr con los mejores módulos de acelerador convencionales disponibles en la actualidad. La tecnología de acelerador de plasma, que también está en una etapa experimental en este momento, promete producir aún más.aceleraciones, sin embargo, también requiere láseres significativamente más potentes que los necesarios para los aceleradores de terahercios.
Los físicos subrayan que la tecnología de terahercios es de gran interés tanto con respecto a los futuros aceleradores lineales para uso en física de partículas, como como un medio para construir láseres de rayos X compactos y fuentes de electrones para uso en investigación de materiales, así como aplicaciones médicasutilizando rayos X y radiación de electrones. "Los rápidos avances que estamos viendo en la generación de terahercios con métodos ópticos permitirán el desarrollo futuro de aceleradores de terahercios para estas aplicaciones", dice el primer autor Emilio Nanni del MIT. En los próximos años, el equipo de CFELen Hamburgo planea construir un láser de rayos X de electrones libres, experimental y compacto XFEL a escala de laboratorio utilizando tecnología de terahercios. Este proyecto está respaldado por una beca Synergy del Consejo Europeo de Investigación.
Los llamados láseres de electrones libres FEL generan destellos de luz láser al enviar electrones de alta velocidad desde un acelerador de partículas por un camino ondulado, por lo que emiten luz cada vez que se desvían. Este es el mismo principio que seráutilizado por el láser de rayos X XFEL europeo, que actualmente está siendo construido por un consorcio internacional, que se extiende desde el Campus DESY en Hamburgo hasta la ciudad vecina de Schenefeld, en Schleswig-Holstein. Toda la instalación tendrá más de tres kilómetros de largo.
Se espera que el XFEL experimental que utiliza tecnología de terahercios tenga menos de un metro de largo. "Esperamos que este tipo de dispositivo produzca pulsos de rayos X mucho más cortos que duren menos de un femtosegundo", dice Kärtner. Debido a que los pulsos son muy cortos,alcanzan un brillo máximo comparable a los producidos por las instalaciones más grandes, incluso si hay menos luz significativa en cada pulso ". Con estos pulsos muy cortos esperamos obtener nuevos conocimientos sobre procesos químicos extremadamente rápidos, como los involucrados en la fotosíntesis."
Desarrollar una comprensión detallada de la fotosíntesis abriría la posibilidad de implementar este proceso eficiente de manera artificial y, por lo tanto, aprovechar una conversión de energía solar cada vez más eficiente y nuevas vías para la reducción de CO2. Más allá de esto, los investigadores están interesados en numerosas otras reacciones químicas. Como señala Kärtnerfuera, "la fotosíntesis es solo un ejemplo de muchos posibles procesos catalíticos que nos gustaría investigar". El XFEL compacto también puede usarse para sembrar pulsos en instalaciones a gran escala para mejorar la calidad de sus pulsos. Además, ciertas técnicas de imagen médica podríanbeneficiarse de las características mejoradas de la nueva fuente de rayos X.
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Materiales proporcionado por DISEÑO Deutsches Elektronen-Synchrotron . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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