Une équipe de recherche dirigée par des physiciens de l'Université du Michigan a mis au point un moyen de générer un synchrotron à l'aide d'un appareil de la taille d'une tête d'allumette. Typiquement, le rayonnement synchrotron est généré dans des installations de la taille de plusieurs terrains de football. Crédit :Austin Thomason/Michigan Photographie
Des physiciens de l'Université du Michigan ont dirigé le développement d'un appareil de la taille d'une tête d'allumette qui peut courber la lumière à l'intérieur d'un cristal pour générer un rayonnement synchrotron dans un laboratoire.
Lorsque les physiciens plient des faisceaux très intenses de particules chargées sur des orbites circulaires proches de la vitesse de la lumière, cette flexion projette des bribes de lumière, ou des rayons X, appelé rayonnement synchrotron. Les chercheurs dirigés par U-M ont utilisé leur appareil pour courber la lumière visible afin de produire une lumière d'une longueur d'onde de l'ordre des térahertz. Cette gamme de longueur d'onde est considérablement plus large que celle de la lumière visible, mais beaucoup plus petites que les vagues produites par votre micro-ondes et peuvent pénétrer dans les vêtements.
Le rayonnement synchrotron est généralement généré dans des installations à grande échelle, qui ont généralement la taille de plusieurs stades de football. Au lieu, Les chercheurs de l'UM Roberto Merlin et l'équipe de Meredith Henstridge ont développé un moyen de produire un rayonnement synchrotron en imprimant un motif d'antennes microscopiques en or sur la face polie d'un cristal de tantalate de lithium, appelée métasurface. L'équipe U-M, qui comprenait également des chercheurs de l'Université Purdue, utilisé un laser pour pulser de la lumière à travers le motif des antennes, qui a courbé la lumière et produit un rayonnement synchrotron.
"Au lieu d'utiliser des lentilles et des modulateurs spatiaux de lumière pour effectuer ce genre d'expérience, nous avons compris en modelant simplement une surface avec une métasurface, vous pouvez atteindre une fin similaire, " dit Merlin, professeur de physique et d'électrotechnique et d'informatique. "Pour que la lumière se courbe, vous devez sculpter chaque morceau du faisceau lumineux à une intensité et une phase particulières, et maintenant nous pouvons le faire d'une manière extrêmement chirurgicale."
Anthony Grbic, U-M professeur de génie électrique et d'informatique, a dirigé l'équipe qui a conçu la métasurface avec l'ancien doctorant Carl Pfeiffer développant la métasurface.
La métasurface est composée d'environ 10 millions de minuscules antennes en forme de boomerang. Chaque antenne est considérablement plus petite que la longueur d'onde de la lumière incidente, dit Henstridge, auteur principal de l'étude. Les chercheurs utilisent un laser qui produit des rafales ou des impulsions lumineuses « ultracourtes » qui durent un billionième de seconde. Le réseau d'antennes provoque l'accélération de l'impulsion lumineuse le long d'une trajectoire courbe à l'intérieur du cristal.
Appareil microscopique qui courbe la lumière. Crédit :Austin Thomason/Michigan Photographie
L'impulsion lumineuse crée une collection de dipôles électriques - ou, un groupe de paires de charges positives et négatives. Cette collection de dipôles accélère le long de la trajectoire courbe de l'impulsion lumineuse, entraînant l'émission de rayonnement synchrotron, selon Henstridge, qui a obtenu son doctorat à l'U-M et est maintenant chercheur postdoctoral à l'Institut Max Planck pour la structure et la dynamique de la matière à Hambourg, Allemagne.
L'appareil des chercheurs produit un rayonnement synchrotron qui contient de nombreuses fréquences térahertz, car les impulsions lumineuses ne parcourent qu'une fraction de cercle. Mais ils espèrent affiner leur dispositif pour que l'impulsion lumineuse tourne en permanence le long d'un chemin circulaire, produisant un rayonnement synchrotron à une seule fréquence térahertz.
La communauté scientifique utilise des sources térahertz monofréquence pour étudier le comportement d'atomes ou de molécules au sein d'un solide donné, liquide ou gazeux. Commercialement, Les sources térahertz sont utilisées pour numériser les articles cachés dans les caisses de vêtements et d'emballage. Médicaments, les gaz explosifs et toxiques ont tous des « empreintes digitales » uniques dans la gamme térahertz qui pourraient être identifiées à l'aide de la spectroscopie térahertz.
Les utilisations de l'appareil ne se limitent pas à l'industrie de la sécurité.
"Le rayonnement térahertz est utile pour l'imagerie dans les sciences biomédicales, " Henstridge a dit. "Par exemple, il a été utilisé pour faire la distinction entre les tissus cancéreux et sains. Une puce, source térahertz monofréquence, comme un petit synchrotron lumineux comme notre appareil, peut permettre de nouvelles avancées dans toutes ces applications."
