يقترح العلماء مصدرًا للضوء فائق السطوع مدعومًا بأشباه الجسيمات – عالم الفيزياء

يمكن لمصدر ضوء جديد مقترح يعتمد على مسرعات البلازما أن يجعل من الممكن تطوير مصادر فائقة السطوع بقوة ليزر الإلكترون الحر الأكثر تقدمًا - ولكن أصغر بكثير. وإذا تم إثباته تجريبيًا، فإن التصميم الذي طرحه اتحاد دولي من الباحثين يمكن تسخيره في مجموعة متنوعة من التطبيقات، بما في ذلك التصوير غير المدمر، وتصنيع شرائح الكمبيوتر.

يتم استخدام مصادر الضوء المتماسكة مثل ليزر الإلكترون الحر بشكل روتيني في البحث الأكاديمي، حيث يتم استخدامها لدراسة بنية الجزيئات الحيوية، وديناميكيات التفاعلات الكيميائية وغيرها من الألغاز في الفيزياء والكيمياء وعلوم المواد. المشكلة هي أنها ضخمة: أقوىها هو مصدر الضوء Linac Coherent Light Source التابع لجامعة ستانفورد، ويبلغ طوله ثلاثة كيلومترات ويتم تشغيله بواسطة معجل ستانفورد الخطي (SLAC). إن تقليص حجمها سيجعلها في متناول المؤسسات الأصغر مثل الجامعات والمستشفيات والمختبرات الصناعية.

"الموجة المكسيكية" للإلكترونات

الباحثون بقيادة خورخي فييرا ل المعهد التقني العالي (IST) في البرتغال، جنبا إلى جنب مع جون بالاسترو ل جامعة روتشستر، الولايات المتحدة، يعتقدون أنهم وجدوا طريقة للقيام بذلك. تصميمهم الذي طوروه مع زملائهم في جامعة كاليفورنيا في لوس انجليس و مختبر البصريات التطبيقية في فرنسا، تدعو إلى إنشاء مصدر ليزر قوي ومشرق باستخدام مجموعة من العديد من الإلكترونات التي تتحرك معًا مثل جسيم عملاق واحد، أو شبه جسيم. "لتصور ما نعنيه بهذا، فكر في الأمواج المكسيكية، التي تبدو وكأنها تتجول حول الساحة، على الرغم من بقاء كل شخص مشارك في مكانه،" يوضح ذلك. برناردو مالاكا، طالب دكتوراه في IST والمؤلف الأول لدراسة حول التصميم المنشورة في طبيعة الضوئيات. "مثل هذه الديناميكيات الجماعية المشحونة للجسيمات تقع في قلب فيزياء البلازما."

وكما يمكن للموجة المكسيكية، من حيث المبدأ، أن تنتقل بشكل أسرع من الأفراد البشر في الحشد (شريطة أن يعملوا جميعًا معًا)، يقول مالاكا إن نفس الشيء يمكن أن يحدث مع الإلكترونات. لكن في هذه الحالة، ستكون العواقب أكثر عمقًا: "يمكن لموجات الإلكترون المكسيكية أن تنتقل بسرعة أكبر من سرعة الضوء، على الرغم من عدم وجود إلكترون واحد محليًا أسرع من الضوء".

ويضيف مالاكا أنه عندما يحدث ذلك، فإن موجات الإلكترون الجماعية ستشع كما لو كانت إلكترونًا واحدًا فائق السطوع. يقول: "يمكن تصوير إشعاع الإلكترون الجماعي كما لو أنه نشأ من جسيم واحد، مما يزيد من إمكانية إنشاء فئة غير متخيلة حتى الآن من المصادر المتماسكة مؤقتًا". عالم الفيزياء.

نسخة شبه جسيمية من تأثير شيرينكوف

وفي العمل الجديد، قام الباحثون، الذين تم دعمهم من قبل التعهد المشترك الأوروبي للحوسبة عالية الأداءاستخدمت عمليات المحاكاة على أجهزة الكمبيوتر العملاقة لدراسة خصائص أشباه الجسيمات في البلازما. أظهرت عمليات المحاكاة هذه أن الإشعاع الصادر عن شبه جسيم لا يمكن تمييزه بشكل أساسي عن الإشعاع الناتج عن جسيم واحد محدود الحجم.

يصف فريق البرتغال والولايات المتحدة وفرنسا أيضًا فيزياء نسخة شبه جسيمية من تأثير شيرينكوف. ويحدث إشعاع شيرينكوف عندما تنتشر الجسيمات المشحونة عبر وسط بسرعة أكبر من سرعة الضوء في ذلك الوسط. ووفقاً للنظرية النسبية الخاصة لأينشتاين، لا يمكن أن يحدث هذا التأثير في الفراغ، حيث تكون سرعة الضوء ثابتة عند أقل من 300 كيلومتر في الثانية. ومع ذلك، لا ينطبق هذا الحد على أشباه الجسيمات، التي يمكنها السفر بأي سرعة، بما في ذلك السرعة الفائقة للضوء. يوضح بالاسترو: "يمكن لأشباه الجسيمات أن تتحرك بطرق لا تسمح بها قوانين الفيزياء التي تحكم الجسيمات الفردية". "إن هذه الحرية المطلقة للتحكم في مسار أشباه الجسيمات هي التي قد تحمل المفتاح نحو فئة جديدة من مصادر الضوء القوية والمدمجة."

ويضيف فييرا أن أشباه الجسيمات قد تجمع بشكل بناء الإشعاع الصادر من 10¹⁰ الإلكترونات. ويشير إلى أن هذا "يتعلق بشحنة مجموعة الإلكترونات في SLAC".

ويضيف أن إحدى طرق صنع مصدر ضوء في العالم الحقيقي من أشباه الجسيمات هي إرسال نبضة ليزر مكثفة أو مجموعة جسيمات نسبية إلى بلازما أو غاز حيث ترتفع الكثافة مع المسافة. يُعرف هذا التكوين باسم منحدر زيادة الكثافة وهو قياسي في المسرعات المعتمدة على البلازما. هذه، ومع ذلك، عادة ما تستخدم ملف تعريف كثافة ثابتة. من شأن الإعداد الجديد أن يخلق جسيمًا شبه جسيمًا فائقًا يؤدي إلى انبعاث شبه جسيم-شيرينكوف.

"لإنشاء شبه جسيم متموج، يؤدي إلى إشعاع متموج، يمكننا إرسال نبضة ليزر مكثفة أو مجموعة جسيمات نسبية إلى بلازما أو غاز حيث تتغير الكثافة بشكل دوري (جيبي) مع المسافة"، يوضح فييرا. "تتوفر بالفعل تكوينات مختلفة لإنشاء مثل هذه الملفات الشخصية في المختبر (على سبيل المثال، استخدام نمط التداخل بين نبضتي ليزر مؤينتين، والتي تؤين البلازما فقط في مناطق التداخل البناء).

"تأثير هائل"

ويقول فييرا إنه إذا تم تصنيعها وعرضها في المختبر، فإن مصادر الضوء المدمجة المعتمدة على أشباه الجسيمات يمكن أن تجلب العلوم والتطبيقات التي لا يمكن تحقيقها حاليًا إلا في أماكن قليلة حول العالم (كما هو الحال في LCLS). "لمصادر الضوء تأثير هائل على حياتنا، بدءًا من العلوم والتكنولوجيا وحتى التطبيقات اليومية. على سبيل المثال، تلعب دورًا حاسمًا في التصوير غير المدمر (مثل المسح بحثًا عن الفيروسات أو فحص جودة المنتج)، وفهم العمليات البيولوجية (مثل التمثيل الضوئي)، وتصنيع شرائح الكمبيوتر، واستكشاف سلوك المادة في الكواكب والنجوم.

يتم تشغيل مسرع الجسيمات الجديد بواسطة أشعة الليزر المنحنية

ويدرس الباحثون الآن طرقًا لجعل أشباه الجسيمات تشع بأطوال موجية أخرى من الطيف الكهرومغناطيسي. الأشعة السينية، على سبيل المثال، لها أطوال موجية تبلغ حوالي 1 نانومتر، وستكون مفيدة بشكل خاص.

يقول مالاكا: "نحن نحاول أيضًا إثبات مفهومنا تجريبيًا". "على الرغم من كوننا ابتكارًا مفاهيميًا في الوقت الحالي، إلا أننا نعتقد أن نهج أشباه الجسيمات بسيط بما يكفي لتجربته في عشرات أو حتى مئات المختبرات حول العالم."

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
• أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
• أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
• المصدر https://physicsworld.com/a/scientists-propose-super-bright-light-source-powered-by-quasiparticles/