INFN-LNF Laboratori Nazionali di Frascati
Una collaborazione tra i Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN, SLAC e l’ENEA ha dimostrato per la prima volta l’emissione di radiazione FEL a 700 nm generata da un fascio di elettroni accelerato in un plasma e poi compresso a pochi femtosecondi.
Una collaborazione tra ricercatori del gruppo SPARC_LAB dei LNF-INFN, di FACET-II di SLAC e dell’ENEA di Frascati ha dimostrato sperimentalmente l’emissione di radiazione ultra-corta da un Free-Electron Laser (FEL) utilizzando un fascio di elettroni accelerato in un plasma. L’esperimento, condotto con il foto-iniettore di SPARC_LAB ha visto coinvolti per un mese i ricercatori italiani insieme con i colleghi americani. I risultati prodotti segnano un passo importante verso le sorgenti di luce FEL di nuova generazione, compatte e a costo contenuto.
Accelerazione al plasma e compressione del fascio
L’accelerazione al plasma (plasma wakefield acceleration, PWFA) sfrutta i campi elettrici generati dall’oscillazione di un plasma, attraversato da un fascio di elettroni o da un impulso laser, per accelerare particelle su distanze molto più brevi rispetto a quelle degli acceleratori convenzionali a radiofrequenza — si passa dai metri ai centimetri. Una delle caratteristiche distintive di questa tecnologia è la possibilità di imprimere al fascio accelerato un elevato chirp energetico, ovvero una forte correlazione tra la posizione longitudinale delle particelle all’interno del pacchetto e la loro energia.
Nell’esperimento condotto a SPARC_LAB, questo chirp è stato sfruttato per comprimere ulteriormente il fascio dopo l’accelerazione al plasma, facendolo passare attraverso una chicane magnetica. Il risultato è stato un pacchetto di elettroni con una durata stimata di soli 10–20 femtosecondi, una condizione essenziale per innescare in modo efficiente il processo di emissione di radiazione FEL ultra-corta.
Un aspetto particolarmente promettente di questa tecnica — l’uso combinato del chirp energetico indotto nel plasma e della successiva compressione in chicane — è il suo potenziale di scalabilità verso durate del fascio ancora più brevi, nel regime dell’attosecondo. Pacchetti di elettroni così corti aprirebbero la strada a impulsi FEL altrettanto brevi, con applicazioni nello studio della dinamica elettronica ultra-veloce in atomi e molecole oggi accessibili solo a un numero molto ristretto di grandi laboratori nel mondo.
L’emissione FEL nell’ondulatore di SPARC_LAB
Una volta compresso, il fascio di elettroni è stato inviato in un ondulatore, il dispositivo magnetico periodico che costringe gli elettroni a oscillare trasversalmente, inducendo l’emissione di radiazione elettromagnetica coerente. La radiazione FEL osservata è risultata centrata a 700 nanometri, con una banda spettrale di circa 100 nanometri e un’energia per impulso di circa 10 nanojoules.
La combinazione di una durata del fascio così breve e di una banda di emissione relativamente ampia è coerente con un regime di emissione fortemente influenzato dalle caratteristiche del fascio accelerato dal plasma, costituisce un banco di prova prezioso per comprendere come le proprietà peculiari di questi fasci — correnti di picco elevate, durate ultracorte, energy spread non trascurabile — si traducano nelle proprietà della luce FEL generata.
Perché il risultato è importante?
Le sorgenti FEL convenzionali, come quelle operative presso le grandi facility a raggi X, richiedono acceleratori lineari lunghi centinaia di metri o chilometri per portare il fascio di elettroni all’energia necessaria. La possibilità di generare luce FEL a partire da un fascio accelerato dal plasma apre la strada a sorgenti di dimensioni e costi drasticamente ridotti, mantenendo le proprietà di coerenza e brillanza tipiche della radiazione FEL.
Questo esperimento, realizzato interamente presso SPARC_LAB grazie alla sinergia tra le competenze del gruppo di Frascati e quelle del gruppo di FACET-II, rappresenta una dimostrazione concreta che l’intera catena, dall’accelerazione al plasma fino alla generazione e caratterizzazione della radiazione FEL, può essere realizzata con successo in un’unica infrastruttura.
«Questo risultato dimostra che un fascio accelerato dal plasma, nonostante la sua complessità, può essere manipolato e compresso con la precisione necessaria a innescare l’emissione FEL», ha commentato Riccardo Pompili, responsabile scientifico dell’attività SPARC_LAB, aggiungendo anche che «il prossimo passo sarà l’ottimizzazione della qualità del fascio per aumentare l’energia e la stabilità dell’emissione».
I prossimi passi
L’esperimento condotto a SPARC_LAB rappresenta una dimostrazione di principio della tecnica: il passo successivo della collaborazione sarà trasferirla a FACET-II, dove il fascio di elettroni può raggiungere energie dell’ordine di 10 GeV. A queste energie, la stessa combinazione di chirp energetico dovuto al plasma e compressione in chicane potrebbe consentire di generare radiazione FEL non più nel visibile, ma alle frequenze dei raggi X, con durate del fascio e dell’impulso di luce dell’attosecondo.
Il gruppo SPARC_LAB e i colleghi di FACET-II proseguiranno quindi la collaborazione con l’obiettivo di migliorare la qualità del fascio accelerato dal plasma e di verificare a energie più elevate la scalabilità dei risultati ottenuti a Frascati. I dati raccolti saranno utilizzati per validare i modelli teorici e numerici sviluppati dal gruppo e per orientare la progettazione delle future sorgenti FEL di raggi X compatte basate sull’accelerazione al plasma.
