Sólo hay dos aceleradores en Estados Unidos capaces de producir haces de partículas de 10 mil millones de electronvoltios, y cada uno tiene aproximadamente 1,9 millas (3 kilómetros) de largo. "Ahora podemos alcanzar este nivel de energía en 10 centímetros (4 pulgadas)", afirmó el director general de TAU Systems.
"Un acelerador tan compacto y avanzado también requiere un láser enorme para funcionar; en este caso, el láser Texas Petawatt, que está alojado en un escenario de 34 pies (10 metros) de largo en el Centro Científico de Alta Densidad de Energía de la Universidad de Texas en Austin", dijo el director ejecutivo de TAU Systems.
Como uno de los láseres más potentes del mundo, este "gigante" puede emitir un rayo láser superpotente con aproximadamente 1.000 veces la energía de la capacidad instalada en los Estados Unidos, pero sólo puede emitirse una vez por hora y sólo puede durar 150 femtosegundos, que es una milmillonésima parte del tiempo de descarga de un rayo.
El dispositivo de TAU tiene menos de 20 metros (66 pies) de largo y emite haces de hasta 10 GeV. Utiliza una versión mejorada de la tecnología de aceleración de Ruofei descrita por primera vez en 1979 y utilizada actualmente por muchos programas de aceleración.
Los aceleradores de partículas ordinarios son en realidad una serie de anillos que atraen electrones cuando se les aplica un voltaje positivo. Los anillos se energizan a su vez, empujando a los electrones a través del túnel a velocidades cada vez mayores, y cada anillo se cierra antes de que lleguen los electrones.
Los aceleradores impulsados por láser convierten más o menos los propios pulsos de luz en electroimanes a la velocidad de la luz, permitiendo que las partículas los sigan, acumulando velocidades y energía extraordinarias en distancias extremadamente cortas.
El dispositivo de TAU utiliza una cámara llena de gas helio. Cuando un láser Petawatt dispara un pulso de luz a través de estos gases, la enorme energía del pulso ioniza el gas hasta convertirlo en plasma. A medida que viaja a través del plasma, el pulso deja una estela detrás de él, muy parecida a la estela que deja un barco cuando viaja a través del agua, excepto que en este caso crea una estela extremadamente poderosa de fluctuaciones de carga.
Si se inyecta un electrón en el momento justo, estas cargas gigantes en movimiento tiran y empujan detrás del pulso de luz, drenando la energía (pero no la velocidad) del pulso láser original y transfiriéndola al electrón acelerado, empujándolo hasta "una gran fracción de la velocidad de la luz" en una distancia corta.
El avance clave de TAU en este dispositivo es el uso de un láser de ablación auxiliar que dispara trenes de pulsos sincronizados con precisión a una placa de metal en una cámara de gas, inyectando una corriente de nanopartículas metálicas en la cámara de gas para aumentar la energía de los electrones a medida que siguen el tren de pulsos del láser.
"Es difícil meterse en una ola grande sin ser aplastado, por lo que los surfistas son arrastrados hacia la ola por motos acuáticas", dijo Bjorn "Manuel" Hegelich, profesor asociado de física en la Universidad de Texas en Austin y director ejecutivo de TAU Systems. "El equivalente a una moto acuática en nuestro acelerador son nanopartículas que liberan electrones en el momento y en el punto adecuados, de modo que están en la onda". Podemos introducir más electrones en la onda cuando y donde queramos, en lugar de distribuirlos estadísticamente a lo largo de la interacción, y ese es el secreto. "
Heglich y su equipo están desarrollando su propio sistema láser del tamaño de una computadora de escritorio, que, según dicen, hará que todo el sistema sea más compacto y se disparará miles de veces por segundo en lugar de una vez por hora.
Entonces, ¿para qué sirven los aceleradores de partículas ultrapequeños de alta energía? Quizás utilizado para impulsar láseres de electrones libres de rayos X, podría potencialmente capturar videos en cámara lenta a escala atómica o molecular. También podría usarse para probar si los componentes electrónicos utilizados en los vuelos espaciales pueden resistir la radiación, realizar imágenes tridimensionales de la estructura interna de los diseños de chips semiconductores y potencialmente desarrollar nuevos tratamientos contra el cáncer y técnicas avanzadas de imágenes médicas.
El artículo de investigación del equipo fue publicado en la revista Matter and Radiation at Extreme.