Novo método para geração de luz monocromática em anéis de armazenamento

Quando elétrons ultrarrápidos são desviados, eles emitem luz — radiação síncrotron. Isso é usado nos chamados anéis de armazenamento, nos quais ímãs forçam as partículas a um caminho fechado. Essa luz é longitudinalmente incoerente e consiste em um amplo espectro de comprimentos de onda.

Seu alto brilho o torna uma excelente ferramenta para pesquisa de materiais. Monocromadores podem ser usados ​​para selecionar comprimentos de onda individuais do espectro, mas isso reduz a potência radiante em muitas ordens de magnitude para valores de apenas alguns watts.

Mas e se um anel de armazenamento em vez disso fornecesse luz monocromática e coerente com saídas de vários quilowatts, análoga a um laser de alta potência? O físico Alexander Chao e seu aluno de doutorado Daniel Ratner encontraram uma resposta para esse desafio em 2010: se os feixes de elétrons orbitando em um anel de armazenamento se tornarem menores do que o comprimento de onda da luz que eles emitem, a radiação emitida se torna coerente e, portanto, milhões de vezes mais poderosa.

“Você precisa saber que os elétrons em um anel de armazenamento não estão distribuídos homogeneamente”, explica Arnold Kruschinski, Ph.D. estudante do HZB e autor principal do artigo. “Eles se movem em cachos com comprimento típico de cerca de um centímetro e distância de cerca de 60 centímetros. Isso é seis ordens de grandeza a mais do que os micro-cachos propostos por Chao.”

O teórico chinês Xiujie Deng definiu um conjunto de configurações para um tipo específico de acelerador circular, os anéis isócronos ou “alfa baixo”, para o projeto Steady-State Micro-Bunching (SSMB). Depois de interagir com um laser, eles criam pequenos grupos de partículas com apenas um micrômetro de comprimento.

A equipe de pesquisa do HZB, da Universidade de Tsinghua e do PTB já demonstrou que isso funciona em um experimento de prova de princípio em 2021. Eles usaram a Fonte de Luz Metrológica (MLS) em Adlershof – o primeiro anel de armazenamento já projetado para operação de baixo alfa. A equipe conseguiu agora verificar completamente a teoria de Deng para a geração de micro-cachos em experimentos extensos. “Para nós, este é um passo importante no caminho para um novo tipo de fonte de radiação SSMB”, diz Kruschinski.

No entanto, o gerente de projeto do HZB, Jörg Feikes, tem certeza de que levará algum tempo até lá. Ele vê alguns paralelos entre o SSMB e o desenvolvimento de lasers de elétrons livres.

“Após experimentos iniciais e décadas de trabalho de desenvolvimento, essa ideia se transformou em um acelerador supercondutor de quilômetros de comprimento”, ele diz. “Esses desenvolvimentos são de muito longo prazo. Começa com uma ideia, depois uma teoria, e então há experimentadores que gradualmente a realizam e eu acho que o SSMB se desenvolverá da mesma forma.”