Eksperiment afslører nye muligheder for synkrotronlyskilder

Accelerator-eksperter fra Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB), det tyske føderale metrologiinstitut Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) og Tsinghua University i Beijing har brugt en laser til at manipulere elektronbundter ved PTB's Metrology Light Source, så de udsender intense lysimpulser med en laserlignende karakter. Ved at bruge denne metode, specialiserede synkrotronstrålingskilder ville potentielt være i stand til at udfylde et hul i arsenalet af tilgængelige lyskilder og tilbyde en prototype til industrielle anvendelser.

De mest moderne lyskilder til forskning er baseret på partikelacceleratorer. Disse er store faciliteter, hvor elektroner accelereres til næsten lysets hastighed, og udsender derefter lysimpulser af en speciel karakter. I lagerring-baserede synkrotronstrålingskilder, elektronbundterne bevæger sig i ringen i milliarder af omdrejninger, generere derefter en hurtig række af meget skarpe lysimpulser i afbøjningsmagneterne. I modsætning, elektronbundterne i fri-elektronlasere (FEL'er) accelereres lineært og udsender derefter et enkelt superstærkt glimt af laserlignende lys. Opbevaringsringkilder såvel som FEL-kilder har lettet fremskridt på mange områder i de seneste år, fra dyb indsigt i biologiske og medicinske spørgsmål til materialeforskning, teknologiudvikling, og kvantefysik.

Nu, et kinesisk-tysk hold har vist, at et mønster af impulser kan genereres i en synkrotronstrålingskilde, der kombinerer fordelene ved begge systemer. Synkrotronkilden leverer korte, intense mikrobundter af elektroner, der producerer strålingsimpulser med en laserlignende karakter (som med FEL'er), men som også kan følge hinanden tæt i rækkefølge (som ved synkrotronlyskilder).

Ideen, kaldet "steady-state microbunching" (SSMB), blev udviklet for omkring 10 år siden af ​​den førende acceleratorteoretiker Alexander Chao og hans ph.d. studerende Daniel Ratner ved Stanford University. Mekanismen skal også gøre det muligt for lagerringe at generere lysimpulser ikke kun ved en høj gentagelseshastighed, men også som sammenhængende stråling som en laser. Fysikeren Xiujie Deng fra Tsinghua University, Beijing, tog disse ideer op i sit doktorgradsarbejde og undersøgte dem yderligere teoretisk.

Chao etablerede kontakt med acceleratorfysikerne på HZB i 2017, som betjener den metrologiske lyskilde (MLS) ved PTB ud over den bløde røntgenkilde BESSY II på HZB. MLS er den første lyskilde i verden, der er optimeret ved design til drift i det, der er kendt som "lav alpha-tilstand". Elektronbundterne kan forkortes meget i denne tilstand. Forskerne dér har konstant udviklet denne særlige driftsform i mere end 10 år. "Som et resultat af dette udviklingsarbejde, vi var nu i stand til at opfylde de udfordrende fysiske krav til empirisk bekræftelse af SSMB-princippet på MLS, " forklarer Markus Ries, acceleratorekspert hos HZB.

"Teorigruppen i SSMB-teamet havde defineret de fysiske grænsebetingelser for at opnå optimal ydeevne af maskinen under den forberedende fase. Dette gjorde det muligt for os at generere de nye maskintilstande med MLS og justere dem nok sammen med Deng, indtil vi var i stand til at opdage de pulsmønstre, vi ledte efter, " rapporterer Jörg Feikes, acceleratorfysiker ved HZB. HZB- og PTB-eksperterne brugte en optisk laser, hvis lysbølge blev koblet i præcis rumlig og tidsmæssig synkronisering med elektronbundterne i MLS. Dette modulerede energierne af elektronerne i bundterne. "Det forårsager elektronbunkerne, som er nogle få millimeter lange, at spalte i mikrobundter (kun 1 μm lange) efter præcis én omdrejning i opbevaringsringen, og derefter at udsende lysimpulser, der kohærent forstærker hinanden som i en laser, " forklarer Jörg Feikes. "Den empiriske påvisning af den sammenhængende stråling var alt andet end let, men vores PTB-kolleger udviklede en innovativ optisk detekteringsenhed, med hvilken detekteringen var vellykket."

"Højdepunktet for fremtidige SSMB-kilder er, at de genererer laserlignende stråling også ud over det synlige spektrum af "lys, "i EUV-området, for eksempel, " kommenterer prof. Mathias Richter, afdelingsleder hos PTB. Og Ries understreger:"I sidste fase, en SSMB-kilde kunne give stråling af en ny karakter. Pulserne er intense, fokuseret, og smalbåndet. De kombinerer fordelene ved synkrotronlys med fordelene ved FEL-impulser, så at sige." Feikes tilføjer:"Denne stråling er potentielt velegnet til industrielle anvendelser. Den første lyskilde baseret på SSMB specifikt til anvendelse i EUV-litografi er allerede i planlægningsfasen nær Beijing."

Værket blev offentliggjort den 24. februar 2021 i den førende videnskabelige publikation Natur .