Forskere foreslår en superlys lyskilde drevet af kvasipartikler - Physics World

Forskere foreslår en superlys lyskilde drevet af kvasipartikler - Physics World

Tidsstempel: 11. december 2023 kl. 8:46

En simulering af en kraftig og lysstærk laserkilde skabt ved hjælp af en samling af mange elektroner, der bevæger sig sammen som en enkelt kæmpe partikel eller kvasipartikel
Forskere undersøgte de unikke egenskaber af kvasipartikler i plasmaer ved at køre avancerede computersimuleringer på supercomputere, der er tilgængelige gennem European High-Performance Computing Joint Undertaking. De foreslår at bruge kvasipartikler til at skabe lyskilder lige så kraftige som de mest avancerede, der findes i dag, men meget mindre. (Med høflighed: B Malaca)

En foreslået ny lyskilde baseret på plasmaacceleratorer kunne gøre det muligt at udvikle superlyse kilder lige så kraftige som de mest avancerede frielektronlasere - men meget mindre. Hvis det demonstreres eksperimentelt, kan designet fremsat af et internationalt konsortium af forskere blive udnyttet til en række forskellige applikationer, herunder ikke-destruktiv billeddannelse og fremstilling af computerchips.

Sammenhængende lyskilder såsom fri-elektron-lasere anvendes rutinemæssigt i akademisk forskning, hvor de bruges til at studere strukturen af ​​biomolekyler, dynamikken i kemiske reaktioner og andre gåder inden for fysik, kemi og materialevidenskab. Problemet er, at de er enorme: Den mest kraftfulde, Stanford Universitys Linac Coherent Light Source, er tre kilometer lang og drevet af Stanford Linear Accelerator (SLAC). At nedskalere dem ville bringe dem inden for rækkevidde af mindre institutioner såsom universiteter, hospitaler og industrielle laboratorier.

En "mexicansk bølge" for elektroner

Forskere ledet af Jorge Vieira af Instituto Superior Técnico (IST) i Portugal sammen med John Palastro af University of Rochester, USA, tror, ​​de har fundet en måde at gøre netop det på. Deres design, som de udviklede sammen med kolleger på University of California, Los Angeles og Laboratoire d'Optique Appliquée i Frankrig opfordrer til, at der skabes en kraftig og lysstærk laserkilde ved hjælp af en samling af mange elektroner, der bevæger sig sammen som en enkelt kæmpe partikel eller kvasipartikel. "For at forestille os, hvad vi mener med dette, tænk på mexicanske bølger, som ser ud til at gå rundt i arenaen, selvom hver deltagende person bliver siddende," forklarer Bernardo Malaca, en ph.d.-studerende ved IST og førsteforfatter til en undersøgelse om designet offentliggjort i Nature Photonics. "Sådan kollektiv ladet partikeldynamik er kernen i plasmafysikken."

Ligesom en mexicansk bølge i princippet kan rejse hurtigere end de enkelte mennesker i mængden (forudsat at de alle arbejder sammen), siger Malaca, at det samme kan ske med elektroner. I så fald ville konsekvenserne dog være meget mere dybtgående: "Mexicanske elektronbølger kunne rejse hurtigere end lysets hastighed, selvom der ikke er en enkelt elektron lokalt, der er hurtigere end lyset," forklarer han.

Når det sker, tilføjer Malaca, ville de kollektive elektronbølger udstråle, som om de var en enkelt superluminal elektron. "Den kollektive elektronstråling kan afbildes, som om den stammer fra en enkelt partikel, hvilket øger muligheden for at skabe en hidtil uanede klasse af tidsmæssigt sammenhængende kilder," siger han. Fysik verden.

En kvasipartikelversion af Cherenkov-effekten

I det nye arbejde har forskerne, som blev støttet af European Joint Performance Computing, brugt simuleringer på supercomputere til at studere kvasipartiklernes egenskaber i plasma. Disse simuleringer viste, at stråling fra en kvasipartikel faktisk grundlæggende ikke kan skelnes fra den, der produceres af en enkelt partikel af begrænset størrelse.

Holdet Portugal-US-Frankrig beskriver også fysikken i en kvasipartikelversion af Cherenkov-effekten. Cherenkov-stråling opstår, når ladede partikler forplanter sig gennem et medium med en hastighed, der er hurtigere end lysets hastighed i det medium. Ifølge Einsteins specielle relativitetsteori kan denne effekt ikke finde sted i vakuum, hvor lysets hastighed er fastsat til lige under 300 km/s. Denne grænse gælder dog ikke for kvasipartikler, som kan bevæge sig med enhver hastighed, inklusive superluminale. "Kvasipartiklerne kan bevæge sig på måder, der ikke ville være tilladt af fysikkens love, der styrer individuelle partikler," forklarer Palastro. "Det er denne absolutte frihed til at kontrollere kvasipartikelbanen, der kan være nøglen til en ny klasse af kraftfulde, men kompakte lyskilder."

Viera tilføjer, at kvasipartikler konstruktivt kan kombinere strålingen fra 1010 elektroner. Dette, bemærker han, handler "om ladningen af ​​en elektrongruppe ved SLAC".

En måde at lave en lyskilde i den virkelige verden ud af kvasipartikler ville være at sende en intens laserpuls eller relativistisk partikelbundt ind i et plasma eller en gas, hvor tætheden stiger med afstanden, tilføjer han. Denne konfiguration er kendt som en tæthed op rampe og er standard i plasma-baserede acceleratorer. Disse bruger dog normalt en konstant tæthedsprofil. Den nye opstilling ville skabe en superluminal kvasipartikel, der fører til kvasipartikel-Cherenkov-emission.

"For at skabe en bølgende kvasipartikel, der fører til bølgende stråling, kunne vi sende en intens laserpuls eller relativistisk partikelbundt ind i et plasma eller en gas, hvor tætheden varierer periodisk (sinusformet) med afstanden," forklarer Viera. "Forskellige konfigurationer er allerede tilgængelige til at skabe sådanne profiler i laboratoriet (for eksempel ved at bruge interferensmønsteret mellem to ioniserende laserimpulser, som kun ioniserer plasmaet i områder med konstruktiv interferens).

“En enorm effekt”

Hvis de bygges og demonstreres i laboratoriet, kan kompakte lyskilder baseret på kvasipartikler bringe videnskab og anvendelser, der i øjeblikket kun er mulige nogle få steder rundt om i verden (som ved LCLS), siger Viera. "Lyskilder har en enorm indflydelse på vores liv, lige fra videnskab og teknologi til dagligdags applikationer. For eksempel spiller de en afgørende rolle i ikke-destruktiv billeddannelse (som scanning for virus eller kontrol af produktkvalitet), forståelse af biologiske processer (som fotosyntese), fremstilling af computerchips og udforskning af stofs adfærd i planeter og stjerner."

Forskerne undersøger nu måder at få kvasipartikler til at udstråle ved andre bølgelængder af det elektromagnetiske spektrum. Røntgenstråler har for eksempel bølgelængder på omkring 1 nm og ville være særligt nyttige.

"Vi forsøger også eksperimentelt at demonstrere vores koncept," siger Malaca. "Selvom vi er en konceptuel innovation for øjeblikket, tror vi, at kvasipartikeltilgangen er enkel nok til at blive afprøvet i snesevis eller endda hundredvis af laboratorier rundt om i verden."

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden