Les scientifiques de DESY ont créé un accélérateur de particules miniature pour les électrons qui peut exécuter quatre fonctions différentes en appuyant sur un bouton. Le dispositif expérimental est alimenté par une source de rayonnement térahertz et peut accélérer, compresse, focaliser et analyser des paquets d'électrons dans un faisceau. Ses structures actives ne mesurent que quelques millimètres de diamètre. Les développeurs du Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) présentent leur accélérateur et manipulateur d'électrons térahertz segmentés (STEAM) dans la revue Photonique de la nature . le rayonnement térahertz se situe entre les micro-ondes et l'infrarouge dans le spectre électromagnétique.

L'une des caractéristiques centrales de l'appareil est sa synchronisation parfaite avec le faisceau d'électrons. Les scientifiques y sont parvenus en utilisant la même impulsion laser pour générer un groupe d'électrons et piloter l'appareil. "Pour faire ça, nous prenons une impulsion laser infrarouge et la décomposons, " explique le premier auteur Dongfang Zhang du groupe de Franz Kärtner au CFEL. " Les deux parties sont introduites dans des cristaux non linéaires qui modifient la longueur d'onde du laser :pour la génération d'un paquet d'électrons, la longueur d'onde est déplacée dans l'ultraviolet et dirigée sur une photocathode où elle libère un tas d'électrons. Pour STEAM, la longueur d'onde est décalée dans le régime térahertz. La synchronisation relative des deux parties de l'impulsion laser d'origine ne dépend que de la longueur du chemin qu'elles empruntent et peut être contrôlée très précisément."

Par ici, les scientifiques peuvent contrôler avec une ultra-haute précision, quelle partie de l'onde térahertz un paquet d'électrons frappe lorsqu'il pénètre dans l'appareil. En fonction de l'heure d'arrivée du paquet d'électrons, STEAM remplit ses différentes fonctions. "Par exemple, un paquet qui frappe la partie négative du champ électrique térahertz est accéléré, " explique Zhang. " D'autres parties de l'onde conduisent à une focalisation ou une défocalisation du paquet ou à une compression d'un facteur dix environ. " Alors que la compression signifie que le paquet d'électrons se raccourcit dans la direction du vol, la mise au point signifie qu'il se rétrécit perpendiculairement à la direction du vol.

En outre, STEAM permet d'effectuer une analyse de la structure du paquet d'électrons le long de sa trajectoire de vol. Pour cette technique, appelé stries, le paquet d'électrons entrant est dévié latéralement de manière à s'étaler perpendiculairement à la direction du vol. Quand ce tas barbouillé frappe un détecteur, il produit un profil de la grappe le long de sa trajectoire de vol. Les stries sont régulièrement utilisées pour analyser les structures des paquets dans les accélérateurs de particules. « STEAM est une sorte de couteau suisse pour les faisceaux d'électrons, " dit Zhang. Pour remplir plusieurs fonctions, comme la compression et la mise au point, plusieurs unités de l'appareil peuvent être combinées.

L'utilisation du rayonnement térahertz permet également la taille compacte de l'appareil STEAM. "Le rayonnement térahertz a généralement des longueurs d'onde cent fois plus courtes que le rayonnement radiofréquence utilisé dans les grands accélérateurs de particules d'aujourd'hui. Par conséquent, toutes les structures de l'appareil peuvent rétrécir en conséquence, " explique Kärtner, qui est scientifique principal à DESY et professeur à l'Universität Hamburg. Mesurant à peine deux centimètres du côté le plus large, STEAM se glisse facilement dans une boîte d'allumettes. "Et c'est juste la taille du logement. Les structures actives sont à l'échelle du millimètre, " ajoute Zhang.

La technologie est encore au stade expérimental. Les développeurs voient STEAM comme une première étape sur la voie d'une future génération de compacts, accélérateurs de particules pilotés par térahertz. Ceux-ci pourraient permettre de nouvelles applications et compléter les accélérateurs d'aujourd'hui. Aussi, le manipulateur de poche peut déjà être utilisé aujourd'hui :des groupes d'accélérateurs du monde entier l'envisagent déjà pour la caractérisation de paquets, comme le souligne Kärtner :« STEAM peut être utilisé pour les futurs accélérateurs de table, mais ses diverses fonctions sont également intéressantes pour les machines existantes."