Første betjening af en tofarvetilstand i en infrarød frielektronlaser

En teknologisk milepæl er nået på Fritz Haber Institute (FHI) i Max Planck Society i Berlin. For første gang er en infrarød frielektronlaser (FEL) blevet betjent i en tofarvet tilstand. Denne globalt unikke teknologi muliggør eksperimenter med synkroniserede tofarvede laserimpulser, hvilket åbner op for nye muligheder inden for forskning.

Frielektronlasere, som der er mere end et dusin af på verdensplan, varierer betydeligt i størrelse (fra få meter til flere kilometer), bølgelængdeområde (fra mikrobølger til hårde røntgenstråler) og omkostninger (fra millioner til mere end en milliard). Men de producerer alle intense, korte strålingsimpulser. Frielektronlasere er blevet vigtige strålingskilder i løbet af de sidste årtier, og de har fundet brede anvendelser inden for grundforskning og anvendt videnskab.

Forskere ved FHI har nu udviklet en metode i samarbejde med amerikanske partnere, der giver mulighed for samtidig generering af infrarøde impulser i to forskellige farver. Denne innovation er særlig vigtig for studiet af tidsmæssige processer i faste stoffer og molekyler.

I en FEL accelereres elektronbundter først til meget høje kinetiske energier af en elektronaccelerator, der når næsten lysets hastighed. Derefter passerer de hurtige elektroner gennem en undulator, hvor de tvinges ind på en slalomlignende bane af stærke magnetiske felter med periodisk varierende polaritet.

Elektronernes svingninger fører til udsendelse af elektromagnetisk stråling, hvis bølgelængde kan varieres ved at justere elektronenergien og/eller magnetfeltstyrken. Af denne grund kan FEL'er bruges til at generere laserlignende stråling i næsten alle dele af det elektromagnetiske spektrum, fra lange terahertz til korte røntgenbølgelængder.

Siden 2012 har en FEL været i drift ved FHI, der producerer intens, pulserende stråling i det mellem-infrarøde (MIR) område, der kontinuerligt kan indstilles fra 2,8 til 50 mikrometer i bølgelængde. I de senere år har forskere og ingeniører ved FHI arbejdet på en tofarvet udvidelse, hvor en anden FEL-gren er blevet installeret til at generere stråling i det fjerne infrarøde (FIR) ved bølgelængder mellem 5 og 170 mikrometer.

FIR-FEL grenen inkluderer en ny hybrid magnet undulator, som er specielt bygget på FHI. Ydermere blev der installeret et 500 MHz kicker-hulrum til den tværgående afbøjning af elektronerne bag den lineære elektronaccelerator (LINAC). Kicker-hulrummet kan ændre retningen af ​​højenergielektronbundterne med en hastighed på 1 milliard gange i sekundet.

I juni 2023 demonstrerede FHI-holdet den første "lasing" af den nye FIR-FEL, der dirigerede alle elektronbundter, der kom fra LINAC til FIR-FEL. I december 2023 var de i stand til at demonstrere tofarvedriften for første gang. I denne tilstand afbøjer det stærke oscillerende elektriske felt, der dannes i kicker-hulrummet, hver anden elektronbundt til venstre og hver anden bundt til højre.

På denne måde opdeles elektronbundtoget med høj gentagelseshastighed (1 GHz; 1 bundt pr. ns) fra LINAC'en i to bundttog med halvdelen af ​​gentagelseshastigheden hver; den ene er styret til den gamle MIR-FEL, og den anden til den nye FIR-FEL. I hver FEL muliggør variation af den undulatoriske magnetiske feltstyrke en kontinuerlig tuning af bølgelængden med op til en faktor på fire.

I omkring et årti har FHI-FEL gjort det muligt for forskningsgrupper på FHI at udføre eksperimenter lige fra spektroskopi af klynger, nanopartikler og biomolekyler i gasfasen til ikke-lineær faststofspektroskopi og overfladevidenskab, hvilket resulterer i cirka 100 peer-reviewed publikationer indtil videre.

Den nye tofarvetilstand, som ikke er tilgængelig på nogen anden IR FEL-facilitet rundt om i verden, vil muliggøre nye eksperimenter såsom MIR/MIR og MIR/FIR pumpe-probe eksperimenter. Dette forventes at åbne nye muligheder for eksperimentelle undersøgelser inden for forskellige områder lige fra fysisk kemi, materialevidenskab, katalyseforskning til biomolekylære undersøgelser og derved bidrage til udviklingen af ​​nye materialer og medicin.

Leveret af Max Planck Society