Un equipo de científicos de la Universidad de Tsinghua, en China, ha desarrollado un dispositivo compacto que genera radiación superradiante de Smith-Purcell (S-SPR) con una línea espectral ultraestrecha y ajustable de forma continua. Este avance, publicado en la revista eLight, marca un hito en la investigación sobre la radiación de electrones libres, que se produce cuando grupos de electrones pasan sobre una rejilla periódica.
La radiación S-SPR se caracteriza por su potencial para aplicaciones en diversos campos, como la imagenología, la detección y las comunicaciones. Sin embargo, los dispositivos tradicionales de aceleración de electrones enfrentan problemas de estabilidad en la energía cinética de los electrones, efectos coulombianos y un número finito de grupos de electrones, lo que deteriora la calidad de la radiación generada. Además, el tamaño de estos equipos limita su aplicabilidad en escenarios prácticos.
Avances en la tecnología S-SPR
El nuevo dispositivo, denominado radiación superradiante de Smith-Purcell inducida por bomba (PIS-SPR), presenta un tamaño de solo 22 cm x 7 cm x 6.5 cm y un peso de 1.68 kg, lo que permite su manipulación con una sola mano. Este ingenio se compone de tres secciones: preagrupamiento de electrones, compresión de electrones y emisión armónica. Su diseño innovador ha permitido una reducción significativa en el ancho de línea espectral, que puede ajustarse continuamente desde 900 kHz hasta 0.3 kHz.
Los investigadores explican que una onda de bombeo de terahercios de baja frecuencia y potencia excita un modo electromagnético localizado en la rejilla, lo que provoca el preagrupamiento del haz de electrones. Posteriormente, estos electrones preagrupados emiten radiación S-SPR a la misma frecuencia que la onda de bombeo. Con el uso de una cavidad Fabry-Pérot, se mejora de manera alternada y continua el modo electromagnético localizado y el agrupamiento de electrones, lo que da lugar a la radiación S-SPR estimulada.
Este avance ha permitido superar los tres factores que deterioran el ancho de línea de la radiación: la inestabilidad en la energía cinética de los electrones, los efectos coulombianos y el número finito de grupos de electrones. Los científicos han demostrado que al variar el número de grupos de electrones, que puede oscilar entre aproximadamente 105 y 109, el ancho de línea de emisión se puede reducir en dos a seis órdenes de magnitud en comparación con las radiaciones S-SPR generadas por aceleradores de electrones y otros equipos.
Además de su funcionamiento en modo de guía de onda inversa sin inyección de onda de bombeo, los investigadores observaron grupos de electrones y radiación S-SPR de tercer armónico, aunque con un ancho de línea más amplio. Al aumentar progresivamente la potencia de la onda de bombeo, se evidenció la evolución del modo del dispositivo desde la S-SPR inducida por guía de onda inversa hacia la PIS-SPR.
Este desarrollo no solo abre la puerta a fuentes de radiación compactas y de ancho de línea estrecho en diferentes regiones de frecuencia, sino que también ofrece la posibilidad de generar grupos de electrones ajustables y bloqueados en frecuencia para su interacción con diversos materiales y micro/nanostructuras. Los científicos sugieren que el efecto estimulado propuesto para mejorar el campo luminoso podría considerarse para la aceleración de electrones en chip, logrando así un mayor gradiente de aceleración de electrones.
Más información:
Yuechai Lin et al, Pump-induced stimulated superradiant Smith-Purcell radiation with ultra-narrow linewidth, eLight (2025). DOI: 10.1186/s43593-025-00083-z
