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Los módulos de los aceleradores de terahercios caben entre los dedos. Imagen: Heiner Müller-Elsner. Fuente: DESY.
Un equipo interdisciplinar de investigadores ha construido el primer prototipo de acelerador de partículas en miniatura que usa radiación de terahercios en lugar de estructuras de radiofrecuencia. Un módulo de acelerador (una de las partes que lo componen) no tiene más de 1,5 centímetros de largo y un milímetro de grosor.
La tecnología de terahercios promete miniaturizar toda la puesta a punto por lo menos por un factor de 100, según los científicios dirigidos por Franz Kärtner, del Centro para la Ciencia del Láser de Electrones Libres (CFEL), de Hamburgo (Alemania). Presentan su prototipo, que fue creado en el laboratorio de Kärtner en el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT, EE.UU.), en la revista Nature Communications.
Los autores ven numerosas aplicaciones de los aceleradores de terahercios, en ciencia de materiales, medicina y física de partículas, así como en la producción de láseres de rayos X. CFEL es una cooperación entre DESY (Sincrotrón Alemán de Electrones, de Hamburgo), la Universidad de Hamburgo y la Sociedad Max Planck.
En el espectro electromagnético, la radiación de terahercios se encuentra entre la radiación infrarroja y la microondas. Los aceleradores de partículas por lo general dependen de la radiación electromagnética de la gama de radiofrecuencia; el acelerador de partículas Petra II, de DESY, utiliza por ejemplo una frecuencia de alrededor de 500 megahercios. La longitud de onda de la radiación de terahercios usada en este experimento es alrededor de mil veces más corta.
"La ventaja es que todo lo demás puede ser mil veces más pequeño también", explica en la nota de prensa de DESY Kärtner, que es profesor de la Universidad de Hamburgo y en el MIT, además de ser miembro del Centro de Imágenes Ultrarrápidas de Hamburgo.
Los científicos utilizaron para su prototipo un módulo de acelerador microestructurado especial, diseñado específicamente para ser utilizado con radiación de terahercios. Los físicos dispararon electrones de alta velocidad en el módulo acelerador en miniatura utilizando un tipo de cañón de electrones proporcionado por el grupo del CEFL del profesor Dwayne Miller, director del Instituto Max Planck para la Estructura y Dinámica de la Materia.
Los electrones se aceleraron aún más por la radiación de terahercios introducida en el módulo. Este primer prototipo de acelerador de terahercios fue capaz de aumentar la energía de las partículas en siete kiloelectronvolts (keV).
"No es una aceleración particularmente grande, pero el experimento demuestra que el principio funciona en la práctica", explica el coautor Arya Fallahi, del CFEL, que hizo los cálculos teóricos. "La teoría indica que debemos ser capaces de lograr un 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 aceleración convencionales disponibles en la actualidad.
La tecnología del acelerador de plasma, que también está en etapa experimental en este momento, promete producir aceleraciones aún más altas, pero también requiere láseres significativamente más potentes que los que se necesitan para los aceleradores de terahercios.
Aplicaciones
Los físicos subrayan que la tecnología de terahercios es de gran interés tanto en lo que respecta a los futuros aceleradores lineales para su uso en la física de partículas, como para construir láseres compactos de rayos X y fuentes electrónicas para su uso en la investigación de materiales, así como en aplicaciones médicas utilizando 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 los aceleradores de terahercios para estas aplicaciones", dice el primer autor Emilio Nanni, del MIT. En los próximos años, el equipo del CFEL planea construir un láser experimental y compacto de rayos X de electrones libres (XFEL) a escala de laboratorio utilizando la tecnología de terahercios, con el apoyo del Consejo Europeo de Investigación.
La tecnología de terahercios promete miniaturizar toda la puesta a punto por lo menos por un factor de 100, según los científicios dirigidos por Franz Kärtner, del Centro para la Ciencia del Láser de Electrones Libres (CFEL), de Hamburgo (Alemania). Presentan su prototipo, que fue creado en el laboratorio de Kärtner en el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT, EE.UU.), en la revista Nature Communications.
Los autores ven numerosas aplicaciones de los aceleradores de terahercios, en ciencia de materiales, medicina y física de partículas, así como en la producción de láseres de rayos X. CFEL es una cooperación entre DESY (Sincrotrón Alemán de Electrones, de Hamburgo), la Universidad de Hamburgo y la Sociedad Max Planck.
En el espectro electromagnético, la radiación de terahercios se encuentra entre la radiación infrarroja y la microondas. Los aceleradores de partículas por lo general dependen de la radiación electromagnética de la gama de radiofrecuencia; el acelerador de partículas Petra II, de DESY, utiliza por ejemplo una frecuencia de alrededor de 500 megahercios. La longitud de onda de la radiación de terahercios usada en este experimento es alrededor de mil veces más corta.
"La ventaja es que todo lo demás puede ser mil veces más pequeño también", explica en la nota de prensa de DESY Kärtner, que es profesor de la Universidad de Hamburgo y en el MIT, además de ser miembro del Centro de Imágenes Ultrarrápidas de Hamburgo.
Los científicos utilizaron para su prototipo un módulo de acelerador microestructurado especial, diseñado específicamente para ser utilizado con radiación de terahercios. Los físicos dispararon electrones de alta velocidad en el módulo acelerador en miniatura utilizando un tipo de cañón de electrones proporcionado por el grupo del CEFL del profesor Dwayne Miller, director del Instituto Max Planck para la Estructura y Dinámica de la Materia.
Los electrones se aceleraron aún más por la radiación de terahercios introducida en el módulo. Este primer prototipo de acelerador de terahercios fue capaz de aumentar la energía de las partículas en siete kiloelectronvolts (keV).
"No es una aceleración particularmente grande, pero el experimento demuestra que el principio funciona en la práctica", explica el coautor Arya Fallahi, del CFEL, que hizo los cálculos teóricos. "La teoría indica que debemos ser capaces de lograr un 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 aceleración convencionales disponibles en la actualidad.
La tecnología del acelerador de plasma, que también está en etapa experimental en este momento, promete producir aceleraciones aún más altas, pero también requiere láseres significativamente más potentes que los que se necesitan para los aceleradores de terahercios.
Aplicaciones
Los físicos subrayan que la tecnología de terahercios es de gran interés tanto en lo que respecta a los futuros aceleradores lineales para su uso en la física de partículas, como para construir láseres compactos de rayos X y fuentes electrónicas para su uso en la investigación de materiales, así como en aplicaciones médicas utilizando 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 los aceleradores de terahercios para estas aplicaciones", dice el primer autor Emilio Nanni, del MIT. En los próximos años, el equipo del CFEL planea construir un láser experimental y compacto de rayos X de electrones libres (XFEL) a escala de laboratorio utilizando la tecnología de terahercios, con el apoyo del Consejo Europeo de Investigación.
Láseres de electrones libres
Los llamados láseres de electrones libres (FEL) generan destellos de luz láser mediante el envío de electrones de alta velocidad desde un acelerador de partículas por un camino ondulante, de modo que emiten luz cada vez que se desvían. Este es el mismo principio que será utilizado por el láser de rayos X XFEL Europeo, que actualmente está siendo construido por un consorcio internacional.
Va desde el Campus de DESY en Hamburgo a la vecina localidad de Schenefeld. La instalación tendrá en total más de tres kilómetros de largo y será la mejor y más moderna de su tipo.
Se espera que el XFEL experimental que utilice terahercios sea inferior a 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 impulsos son tan cortos, alcanzan un pico de brillo comparable a los producidos por instalaciones más grandes, incluso si hay significativamente menos luz en cada pulso. "Con estos pulsos tan cortos esperamos obtener nuevos conocimientos sobre los procesos químicos extremadamente rápidos, como los que participan en la fotosíntesis."
El desarrollo de una comprensión detallada de la fotosíntesis abriría la posibilidad de implementar este eficiente proceso de forma artificial y explorar así una conversión de energía solar más eficiente y nuevas vías para la reducción de CO2. Más allá de esto, los investigadores están interesados en muchas otras reacciones químicas. Como señala Kärtner, "la fotosíntesis es sólo un ejemplo de muchos procesos catalíticos posibles que nos gustaría investigar."
El XFEL compacto podría usarse también para introducir pulsos en instalaciones a gran escala para mejorar la calidad de los que tienen.
Los llamados láseres de electrones libres (FEL) generan destellos de luz láser mediante el envío de electrones de alta velocidad desde un acelerador de partículas por un camino ondulante, de modo que emiten luz cada vez que se desvían. Este es el mismo principio que será utilizado por el láser de rayos X XFEL Europeo, que actualmente está siendo construido por un consorcio internacional.
Va desde el Campus de DESY en Hamburgo a la vecina localidad de Schenefeld. La instalación tendrá en total más de tres kilómetros de largo y será la mejor y más moderna de su tipo.
Se espera que el XFEL experimental que utilice terahercios sea inferior a 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 impulsos son tan cortos, alcanzan un pico de brillo comparable a los producidos por instalaciones más grandes, incluso si hay significativamente menos luz en cada pulso. "Con estos pulsos tan cortos esperamos obtener nuevos conocimientos sobre los procesos químicos extremadamente rápidos, como los que participan en la fotosíntesis."
El desarrollo de una comprensión detallada de la fotosíntesis abriría la posibilidad de implementar este eficiente proceso de forma artificial y explorar así una conversión de energía solar más eficiente y nuevas vías para la reducción de CO2. Más allá de esto, los investigadores están interesados en muchas otras reacciones químicas. Como señala Kärtner, "la fotosíntesis es sólo un ejemplo de muchos procesos catalíticos posibles que nos gustaría investigar."
El XFEL compacto podría usarse también para introducir pulsos en instalaciones a gran escala para mejorar la calidad de los que tienen.
Referencia bibliográfica:
Emilio A. Nanni, Wenqian R. Huang, Kyung-Han Hong, Koustuban Ravi, Arya Fallahi, Gustavo Moriena, R. J. Dwayne Miller & Franz X. Kärtner: Terahertz-driven linear electron acceleration. Nature Communications (2015). DOI: 10.1038/NCOMMS9486.
Emilio A. Nanni, Wenqian R. Huang, Kyung-Han Hong, Koustuban Ravi, Arya Fallahi, Gustavo Moriena, R. J. Dwayne Miller & Franz X. Kärtner: Terahertz-driven linear electron acceleration. Nature Communications (2015). DOI: 10.1038/NCOMMS9486.
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