El truco del láser produce pulsos de terahercios de alta energía

Un hito para los aceleradores de partículas compactos

17.06.2019 - Alemania

Un equipo de científicos de DESY y de la Universidad de Hamburgo ha logrado un hito importante en la búsqueda de un nuevo tipo de acelerador de partículas compacto. Utilizando pulsos ultra potentes de luz láser, fueron capaces de producir destellos de radiación de alta energía en el rango de terahercios con una longitud de onda (color) claramente definida. La radiación de terahercios abrirá el camino a una nueva generación de aceleradores de partículas compactos que encontrarán espacio en una mesa de laboratorio. El equipo dirigido por Andreas Maier y Franz Kärtner del Hamburg Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) presenta sus resultados en la revista Nature Communications. CFEL está dirigido conjuntamente por DESY, la Universidad de Hamburgo y la Sociedad Max Planck.

El rango de terahercios de radiación electromagnética se encuentra entre las frecuencias de infrarrojos y de microondas. Los viajeros aéreos pueden estar familiarizados con la radiación de terahercios de los escáneres de cuerpo entero utilizados por la seguridad aeroportuaria para buscar objetos escondidos debajo de las prendas de vestir de una persona. Sin embargo, la radiación en este rango de frecuencia también podría utilizarse para construir aceleradores de partículas compactos. "La longitud de onda de la radiación de terahercio es unas mil veces más corta que las ondas de radio que se utilizan actualmente para acelerar las partículas", dice Kärtner, que es un científico líder en DESY. "Esto significa que los componentes del acelerador también pueden ser mil veces más pequeños." La generación de pulsos de terahercios de alta energía es, por lo tanto, también un paso importante para el proyecto AXSIS (Frontiers in Attosecond X-ray Science: Imaging and Spectroscopy) en CFEL, financiado por el Consejo Europeo de Investigación (ERC), que tiene como objetivo abrir aplicaciones completamente nuevas con aceleradores de partículas de terahercios compactos.

Sin embargo, el chivving a lo largo de un número apreciable de partículas requiere impulsos potentes de radiación de terahercios con una longitud de onda claramente definida. Esto es precisamente lo que el equipo ha logrado crear. "Para generar impulsos de terahercios, disparamos dos potentes impulsos de luz láser a un cristal no lineal, con un retraso mínimo entre ambos", explica Maier, de la Universidad de Hamburgo. Los dos pulsos de láser tienen una especie de gradiente de color, lo que significa que el color de la parte delantera del pulso es diferente al de la parte trasera. Por lo tanto, el ligero cambio de tiempo entre los dos pulsos produce una ligera diferencia de color. "Esta diferencia radica precisamente en la gama de terahercios", dice Maier. "El cristal convierte la diferencia de color en un pulso de terahercios."

El método requiere que los dos pulsos de láser estén sincronizados con precisión. Los científicos logran esto dividiendo un solo pulso en dos partes y enviando a uno de ellos en un pequeño desvío para que se retrase ligeramente antes de que los dos pulsos se superpongan de nuevo. Sin embargo, el gradiente de color a lo largo de los pulsos no es constante, es decir, el color no cambia uniformemente a lo largo del pulso. En cambio, el color cambia lentamente al principio, y luego más y más rápidamente, produciendo un contorno curvo. Como resultado, la diferencia de color entre los dos pulsos escalonados no es constante. La diferencia sólo es apropiada para producir radiación de terahercios en un estrecho tramo del pulso.

"Ese fue un gran obstáculo para crear pulsos de terahercios de alta energía", informa Maier. "Porque enderezar el gradiente de color de los pulsos, que habría sido la solución obvia, no es fácil de hacer en la práctica." Fue el coautor Nicholas Matlis quien tuvo la idea crucial: sugirió que el perfil de color de sólo uno de los dos pulsos parciales debería estirarse ligeramente a lo largo del eje temporal. Aunque esto todavía no altera el grado en que el color cambia a lo largo del pulso, la diferencia de color con respecto al otro pulso parcial permanece constante en todo momento. "Los cambios que hay que hacer en uno de los pulsos son mínimos y sorprendentemente fáciles de lograr: todo lo que se necesitaba era insertar una corta longitud de un vidrio especial en la viga", informa Maier. "De repente, la señal de terahercios se hizo más fuerte por un factor de 13." Además, los científicos utilizaron un cristal no lineal particularmente grande para producir la radiación de terahercios, especialmente hecha para ellos por el Instituto Japonés de Ciencias Moleculares en Okazaki.

"Combinando estas dos medidas, pudimos producir pulsos de terahercios con una energía de 0,6 mili julios, que es un récord para esta técnica y más de diez veces superior a cualquier pulso de terahercios de longitud de onda claramente definida que se haya generado previamente por medios ópticos", dice Kärtner. "Nuestro trabajo demuestra que es posible producir pulsos de terahercios suficientemente potentes con longitudes de onda claramente definidas para operar aceleradores de partículas compactos."

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Publicación original

"Spectral Phase Control of Interfering Chirped Pulses for High-Energy Narrowband Terahertz Generation"; Spencer W. Jolly, Nicholas H. Matlis, Frederike Ahr, Vincent Leroux, Timo Eichner, Anne-Laure Calendron, Hideki Ishizuki, Takunori Taira, Franz X. Kärtner, and Andreas R. Maier; Nature Communications; 2019

https://www.quimica.es/noticias/1161490/el-truco-del-laser-produce-pulsos-de-terahercios-de-alta-energia.html