科学家们使用超材料制造出芯片大小的同步加速器

Gif图片来源：Meredith Henstridge/University of Michigan

这种加速光脉冲（左）符合预期（右），即它将沿着曲线轨迹运动并发太赫兹频率辐射  。

同步加速器是一种令人惊叹的装置，它利用磁场使粒子在长达数公里的轨道上快速行进，直到释放出强大的X射线。现在，来自密歇根大学的一队科学家已经完成了同样的壮举，但他们是在一个微型芯片上完成的，他们推动一束光沿圆形轨迹行进以产生太赫兹辐射。

研究人员使用激光发射红光脉冲—— “一颗小光弹” ——并利用超表面改变其路径，使其路径从正常的直线变为曲线。超表面具有一系列微小的周期性的结构，大小与撞击超表面的光的波长相同。在这项研究中，超表面是位于钽酸锂晶体上的一系列数以百万计的黄金天线，形状像具有不同弯角和不同方向的回旋镖。负责这项研究的密歇根大学物理学教授Roberto Merlin说：“我们设法让光弹沿圆形路径行进。”他们最近在Science期刊上发表了一篇论文，介绍了这项研究。

要沿圆形路径行进，光束必须加速，在这种情况下需要超过在材料中的正常光速。（真空中的光速最快，而当光线通过物质时，光的移动速度会变慢。）这种加速会在晶体中产生一个电磁场，在1 太赫兹左右时释放出额外的能量作为辐射。

所谓的T射线存在于电磁波谱的远红外线部分（就在微波下方）。例如，它们在机场安检中很有用，因为它们可以用光谱识别物质，而且它们可以穿透许多材料而不会造成伤害，因为它们与X射线不同，它们不是电离辐射。

研究人员只设法让红光脉冲沿半圆形路径行进，只有5％的红光转换成T射线。太赫兹辐射是宽频带的，这对光谱学很有用，但更窄的频率对于其他应用是更优的。Merlin说：“如果我们可以让光线绕圈很多很多次，那就太好了。”

他说，这可能需要使用不同的材料。黄金可能不是天线的最佳选择，但它对原型来说是不错的。事实上，当时的研究生Meredith Henstridge花了近四年的时间才弄清楚如何构建天线阵列。这项研究的大部分工作是Henstridge完成的。Henstridge现在是德国马克斯·普朗克物质结构与动力学研究所的博士后。

Merlin说，迷你同步加速器应该会被证明是有用的，因为能发射T射线的设备并不多。“任何太赫兹辐射的来源都是受欢迎的”。