Вчені вперше домоглися за допомогою експериментального компактного прискорювача частинок на основі терагерцевого випромінювання збільшення енергії електронів більш ніж удвічі. Крім цього авторам вдалося значно поліпшити й інші характеристики пучка, завдяки чому був продемонстрований найвдаліший на даний момент режим роботи подібного пристрою, пишуть фізики в журналі.
В останні роки активно розвивається область нових методів прискорення частинок, альтернативних використовуваним в існуючих гігантських установках, таких як Великий адронний колайдер. Подібні пристрої потрібні не тільки для фундаментальних досліджень в області фізики елементарних частинок і біології, але і в прикладних областях, таких як медицина і виготовлення напівпровідникових пристроїв.
На даний момент існує кілька паралельно розвиваються концепцій прискорення заряджених частинок, кожна з яких володіє своїми плюсами і мінусами і поки не стала широко застосовуватися. Більшість з них у тій чи іншій формі використовують лазерне випромінювання. До них належать, зокрема, діелектричне лазерне прискорення і лазерно-плазмове прискорення, для яких характерне випромінювання з довжиною хвилі порядку мікрон.
Проміжним в сенсі просторових масштабів є прискорювачі на основі терагерцевих імпульсів з характерним розміром в міліметри. Теоретично вони дозволяють досягати набагато більших порівняно з традиційними пристроями прискорюючих градієнтів електромагнітних полів і значного скорочення розміру, вартості та необхідної інфраструктури, зберігаючи колишній технологічний процес виготовлення.
Однією з актуальних проблем даної технології є синхронізація прискорюваних електронів з імпульсами поля, оскільки частинки зазвичай рухаються не у вигляді безперервного потоку, тому згустки електронів повинні володіти певними параметрами. Це завдання вирішували автори статті на чолі з Дунфан Чжаном (Dongfang Zhang), співробітником німецького прискорювача DESY. Вони створили двоступеневий прискорювач з використанням розроблених раніше пристроїв STEAM (Segmented Terahertz Electron Accelerator and Manipulator - сегментований терагерцевий електронний прискорювач і маніпулятор).
"Для досягнення найвищого приросту енергії електрони повинні відчувати вплив терагерцевого поля точно на прискорюючій половині коливання, - говорить Чжан. - У попередніх експериментах згустки виявлялися занадто довгими, тому через швидкі коливання терагерцевого поля не всі електрони прискорювалися, а деякі навіть сповільнювалися. Це призводило до помірного середнього зростання енергії і, що більш важливо, широкого розподілу по енергіях, яке призводить до пучку поганої якості ".
Перший прискорювач в каскаді використовувався для звуження вхідного пучка електронів з 0,3 до 0,1 міліметра в довжину, а другий вже збільшував енергію. Для реалізації знадобилася синхронізація на рівні квадрильйонних часток секунди, що відповідають періоду коливання поля. Авторам вдалося цього досягти, що призвело до чотириразового зменшення енергетичного уширення і шестиразового поліпшення еміттансу (характеристика займаного частинками обсягу фазового простору, тобто комбінація розподілу по всіх координатах і всіх проекціях швидкостей).
В експерименті використовувалися електрони з енергією в 55 кілоелектронвольт, які були успішно прискорені ще на 70 кілоелектронвольт. Таким чином, у роботі вперше було продемонстровано зростання енергії, що перевищує 100 відсотків, з використанням терагерцевого прискорювача. Максимальний градієнт поля досягав 200 мегавольт на метр, що близько до рекордних значень в сучасних радіочастотних прискорювачах.
"Наша робота показує, що можливе ще більш сильне стиснення пучка електронів, ніж утричі, - підсумовує Чжан. Разом з підвищенням енергії терагерцевого поля здаються досяжними прискорюючі градієнти на рівні гігавольт на метр. Таким чином, терагерцева технологія видається все більш багатообіцяючою опцією для створення компактних прискорювачів електронів ".
Раніше фізики згенерували рекордно потужні імпульси терагерцевого випромінювання, зареєстрували його від води і заглянули з його допомогою під ізоляцію тросів.