Experts en accélérateurs du Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB), l'institut fédéral allemand de métrologie Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) et l'université Tsinghua de Pékin ont utilisé un laser pour manipuler des paquets d'électrons à la source lumineuse de métrologie de la PTB afin qu'ils émettent des impulsions lumineuses intenses ayant un caractère laser. En utilisant cette méthode, des sources de rayonnement synchrotron spécialisées pourraient potentiellement combler une lacune dans l'arsenal des sources lumineuses disponibles et offrir un prototype pour des applications industrielles.

Les sources lumineuses les plus modernes pour la recherche sont basées sur des accélérateurs de particules. Ce sont de grandes installations dans lesquelles les électrons sont accélérés à presque la vitesse de la lumière, puis émettre des impulsions lumineuses d'un caractère spécial. Dans les sources de rayonnement synchrotron à anneaux de stockage, les paquets d'électrons voyagent dans l'anneau pendant des milliards de tours, génèrent ensuite une succession rapide d'impulsions lumineuses très vives dans les aimants déflecteurs. En revanche, les paquets d'électrons dans les lasers à électrons libres (FEL) sont accélérés linéairement puis émettent un seul flash ultra-brillant de lumière semblable à un laser. Les sources annulaires de stockage ainsi que les sources FEL ont facilité les avancées dans de nombreux domaines ces dernières années, des connaissances approfondies sur les questions biologiques et médicales à la recherche sur les matériaux, développement de la technologie, et la physique quantique.

Maintenant, une équipe sino-allemande a montré qu'un modèle d'impulsions peut être généré dans une source de rayonnement synchrotron qui combine les avantages des deux systèmes. La source synchrotron délivre de courts, des micro-paquets intenses d'électrons qui produisent des impulsions de rayonnement ayant un caractère de type laser (comme avec les FEL), mais qui peuvent aussi se suivre étroitement en séquence (comme avec les sources lumineuses synchrotron).

L'idée, appelé « microgroupage à l'état stationnaire » (SSMB), a été développé il y a environ 10 ans par le grand théoricien des accélérateurs Alexander Chao et son doctorat. étudiant Daniel Ratner à l'Université de Stanford. Le mécanisme devrait également permettre aux anneaux de stockage de générer des impulsions lumineuses non seulement à un taux de répétition élevé, mais aussi comme rayonnement cohérent comme un laser. Le physicien Xiujie Deng de l'Université Tsinghua, Pékin, a repris ces idées dans son travail de doctorat et les a approfondies théoriquement.

Chao a établi le contact avec les physiciens des accélérateurs de HZB en 2017 qui exploitent la source lumineuse de métrologie (MLS) à la PTB en plus de la source de rayons X mous BESSY II à HZB. Le MLS est la première source lumineuse au monde à être optimisée par conception pour fonctionner dans ce que l'on appelle le « mode alpha faible ». Les paquets d'électrons peuvent être considérablement raccourcis dans ce mode. Les chercheurs y développent constamment ce mode de fonctionnement particulier depuis plus de 10 ans. « À la suite de ce travail de développement, nous étions maintenant en mesure de répondre aux exigences physiques difficiles pour confirmer empiriquement le principe SSMB au MLS, " explique Markus Ries, expert en accélérateur chez HZB.

"Le groupe de théorie au sein de l'équipe SSMB avait défini les conditions limites physiques pour obtenir des performances optimales de la machine pendant la phase préparatoire. Cela nous a permis de générer les nouveaux états de la machine avec le MLS et de les ajuster suffisamment avec Deng jusqu'à ce que nous soyons capables de détecter les modèles de pouls que nous recherchions, " rapporte Jörg Feikes, physicien des accélérateurs au HZB. Les experts du HZB et du PTB ont utilisé un laser optique dont l'onde lumineuse était couplée en synchronisation spatiale et temporelle précise avec les paquets d'électrons du MLS. Cela a modulé les énergies des électrons dans les paquets. "Cela provoque les paquets d'électrons, qui font quelques millimètres de long, se diviser en micro-paquets (seulement 1 m de long) après exactement un tour dans l'anneau de stockage, puis d'émettre des impulsions lumineuses qui s'amplifient mutuellement de manière cohérente comme dans un laser, " explique Jörg Feikes. " La détection empirique du rayonnement cohérent était tout sauf facile, mais nos collègues du PTB ont développé une unité de détection optique innovante avec laquelle la détection a été un succès."

"Le point culminant des futures sources SSMB est qu'elles génèrent un rayonnement de type laser également au-delà du spectre visible de" lumière, " dans la gamme EUV, par exemple, " commente le Pr Mathias Richter, chef de service chez PTB. Et Ries de souligner :« Dans la phase finale, une source SSMB pourrait fournir un rayonnement d'un nouveau caractère. Les pulsations sont intenses, concentré, et à bande étroite. Ils combinent les avantages de la lumière synchrotron avec les avantages des impulsions FEL, pour ainsi dire. » Feikes ajoute :« Ce rayonnement est potentiellement adapté aux applications industrielles. La première source lumineuse basée sur SSMB spécifiquement pour une application en lithographie EUV est déjà en phase de planification près de Pékin. »

Le travail a été publié le 24 février 2021 dans la principale publication scientifique La nature .