Los haces de electrones helados simulados en una investigación en la Universidad de Strathclyde podrían allanar el camino para reducir los láseres de electrones libres de rayos X (X-FEL) a una fracción de su tamaño actual.

Los X-FEL convierten la energía cinética de un haz de electrones en poderosos pulsos de fotones, hasta longitudes de onda de rayos X duros, y a menudo se les llama ‘motores de descubrimiento’. Los X-FEL se utilizan para crear condiciones de materia extremas para la investigación de materia caliente y densa, para estudiar las propiedades de los materiales para microchips de próxima generación, para resolver la estructura de biomoléculas complejas para nuevos medicamentos y muchas otras aplicaciones.

En el corazón de los FEL se encuentran los haces de electrones que se mueven en un camino dentro de un dispositivo, conocido como ondulador, con un campo magnético alterno. Como resultado del movimiento ondulante, el haz de electrones emite ráfagas de fotones y un efecto de retroalimentación positiva estructura el haz de electrones en microgrupos en la longitud de onda de la radiación. En consecuencia, la potencia de radiación crece exponencialmente a lo largo del ondulador y se vuelve altamente coherente.

Este efecto de autoorganización solo puede ocurrir si el haz de electrones es de alta calidad a energías relativistas. Sin embargo, para cumplir con los estrictos requisitos de calidad del haz de electrones, los X-FEL de última generación son máquinas ajustadas con precisión a escala de kilómetros, que cuestan hasta mil millones de libras. En consecuencia, solo existen unas pocas instalaciones X-FEL en todo el mundo, y hasta ahora ninguna en el Reino Unido.

La investigación de Strathclyde muestra, con simulaciones de principio a fin de alta fidelidad, que un Plasma Wakefield Accelerator (PWFA), equipado con un método avanzado de inyección de electrones llamado « caballo de Troya » llamado fotocátodo de plasma, puede producir haces de electrones 100.000 veces más brillantes que los de estado. del arte. Esto se debe a la baja distribución de dispersión de momento, que produce haces de electrones extremadamente fríos.

El PWFA también tiene un campo eléctrico acelerador, con una capacidad de decenas a cientos de gigavoltios por metro, lo que permite la realización del acelerador en una escala de centímetros, en comparación con las escalas de kilómetros de los aceleradores tradicionales.

El estudio explora cómo extraer, transportar, aislar e inyectar haces de electrones helados de ultra alto brillo del fotocátodo de plasma PWFA en un ondulador sin pérdida de carga ni calidad; permanecen fríos y no se ‘derriten’. Enfocado en un ondulador, el haz de electrones de ultra alta calidad produce pulsos de fotones potentes, coherentes y similares a los de un láser, con duraciones de pulso en el régimen de attosegundos (1 × 10-18 de un segundo). Además de la calidad extrema de los pulsos de electrones y fotones resultantes, todo el sistema puede tener una huella espacial de solo unas pocas decenas de metros, en contraste con las máquinas X-FEL de última generación y tamaño de un kilómetro.

Los científicos que trabajan en el estudio creen que los tres hitos logrados en el estudio podrían ser una puerta de entrada a los X-FEL ultracompactos de próxima generación. El estudio ha sido publicado en la revista Nature Communications y forma parte del proyecto nacional X-FEL del Reino Unido.

Fahim Habib, investigador asociado en el Departamento de Física de Strathclyde e investigador postdoctoral líder del estudio, dijo : « Las perspectivas de los plasma-X-FEL ultracompactos basados ​​en este esquema son alucinantes. Nuestros resultados son importantes primeros hitos. pero tenemos mucho más trabajo por delante hacia la realización experimental del enfoque ».

El profesor Bernhard Hidding de Strathclyde, quien dirige el proyecto, dijo : « La primera evidencia experimental para la inyección de fotocátodos de plasma en PWFA se obtuvo en nuestra colaboración Trojan Horse en la instalación SLAC FACET de nuestro socio estratégico Stanford. Ahora, con nuestro programa en la instalación sucesora SLAC FACET-II, nuestro objetivo es explotar el verdadero potencial del esquema en términos de calidad y estabilidad del haz ».

El Dr. Brian McNeil, lector del Departamento de Física, dijo : « El brillo es el parámetro de rendimiento clave para el láser de electrones libres. Si los haces de electrones tan brillantes y cortos como se muestra en nuestro estudio computacional se pueden obtener a partir de plasmas, esto podría tener un enorme impacto en la ciencia de los fotones ».

El profesor Hidding trabaja en un proyecto paralelo, financiado por el Consejo Europeo de Investigación, denominado NeXource : Fuentes de haz de electrones basadas en plasma de próxima generación para la ciencia de fotones de alto brillo.