Wissenschaftler schlagen superhelle Lichtquelle vor, die von Quasiteilchen angetrieben wird – Physics World

Wissenschaftler schlagen superhelle Lichtquelle vor, die von Quasiteilchen angetrieben wird – Physics World

Zeitstempel: 11. Dezember 2023, 8:46 Uhr

Eine Simulation einer leistungsstarken und hellen Laserquelle, die aus einer Ansammlung vieler Elektronen besteht, die sich wie ein einziges Riesenteilchen oder Quasiteilchen zusammen bewegen
Wissenschaftler untersuchten die einzigartigen Eigenschaften von Quasiteilchen in Plasmen, indem sie fortschrittliche Computersimulationen auf Supercomputern durchführten, die über das Europäische Gemeinschaftsunternehmen für Hochleistungsrechnen zur Verfügung stehen. Sie schlagen vor, Quasiteilchen zu verwenden, um Lichtquellen zu erzeugen, die so leistungsstark sind wie die fortschrittlichsten, die es heute gibt, aber viel kleiner. (Mit freundlicher Genehmigung von B Malaca)

Eine vorgeschlagene neue Lichtquelle auf Basis von Plasmabeschleunigern könnte die Entwicklung superheller Quellen ermöglichen, die so leistungsstark sind wie die fortschrittlichsten Freie-Elektronen-Laser – aber viel kleiner. Bei experimenteller Demonstration könnte der von einem internationalen Forscherkonsortium vorgeschlagene Entwurf für eine Vielzahl von Anwendungen genutzt werden, darunter zerstörungsfreie Bildgebung und Computerchip-Herstellung.

Kohärente Lichtquellen wie Freie-Elektronen-Laser werden routinemäßig in der akademischen Forschung eingesetzt, um die Struktur von Biomolekülen, die Dynamik chemischer Reaktionen und andere Rätsel in der Physik, Chemie und Materialwissenschaft zu untersuchen. Das Problem ist, dass sie riesig sind: Die leistungsstärkste, die Linac Coherent Light Source der Stanford University, ist drei Kilometer lang und wird vom Stanford Linear Accelerator (SLAC) angetrieben. Eine Verkleinerung würde sie in die Reichweite kleinerer Institutionen wie Universitäten, Krankenhäuser und Industrielabore bringen.

Eine „mexikanische Welle“ für Elektronen

Forscher angeführt von Jörg Vieira dauert ebenfalls 3 Jahre. Das erste Jahr ist das sog. Instituto Superior Técnico (IST) in Portugal, zusammen mit John Palastro dauert ebenfalls 3 Jahre. Das erste Jahr ist das sog. Universität von Rochester, USA, glauben, dass sie einen Weg gefunden haben, genau das zu tun. Ihr Design, das sie gemeinsam mit Kollegen entwickelt haben University of California, Los Angeles und für Laboratoire d'Optique Appliquée in Frankreich fordert die Schaffung einer leistungsstarken und hellen Laserquelle mit einer Ansammlung vieler Elektronen, die sich wie ein einziges Riesenteilchen oder Quasiteilchen zusammen bewegen. „Um sich vorzustellen, was wir damit meinen, stellen Sie sich mexikanische Wellen vor, die scheinbar um die Arena herumgehen, obwohl jede teilnehmende Person an Ort und Stelle bleibt“, erklärt Bernardo Malaca, Doktorand am IST und Erstautor einer Studie über das Design, veröffentlicht in Nature Photonics. „Eine solche kollektive Dynamik geladener Teilchen ist das Herzstück der Plasmaphysik.“

So wie sich eine mexikanische Welle im Prinzip schneller ausbreiten kann als die einzelnen Menschen in der Menge (vorausgesetzt, sie alle zusammenarbeiten), kann laut Malaca dasselbe mit Elektronen passieren. In diesem Fall wären die Konsequenzen jedoch viel schwerwiegender: „Mexikanische Elektronenwellen könnten sich schneller als Lichtgeschwindigkeit ausbreiten, obwohl es lokal kein einziges Elektron gibt, das schneller als Licht ist“, erklärt er.

Wenn das passiert, fügt Malaca hinzu, würden die kollektiven Elektronenwellen so strahlen, als wären sie ein einzelnes superluminales Elektron. „Die kollektive Elektronenstrahlung kann man sich so vorstellen, als ob sie von einem einzelnen Teilchen stammte, was die Möglichkeit eröffnet, eine bisher unvorstellbare Klasse zeitlich kohärenter Quellen zu schaffen“, erklärt er Welt der Physik.

Eine Quasiteilchenversion des Cherenkov-Effekts

In der neuen Arbeit haben die Forscher, die von der unterstützt wurden Europäisches gemeinsames Unternehmen für Hochleistungsrechnennutzten Simulationen auf Supercomputern, um die Eigenschaften von Quasiteilchen im Plasma zu untersuchen. Diese Simulationen zeigten, dass die Strahlung eines Quasiteilchens tatsächlich grundsätzlich nicht von der Strahlung eines einzelnen Teilchens endlicher Größe zu unterscheiden ist.

Das Team aus Portugal, den USA und Frankreich beschreibt auch die Physik einer Quasiteilchenversion des Cherenkov-Effekts. Tscherenkow-Strahlung tritt auf, wenn geladene Teilchen sich mit einer Geschwindigkeit durch ein Medium ausbreiten, die höher ist als die Lichtgeschwindigkeit in diesem Medium. Nach Einsteins spezieller Relativitätstheorie kann dieser Effekt im Vakuum nicht stattfinden, wo die Lichtgeschwindigkeit auf knapp 300 km/s festgelegt ist. Diese Grenze gilt jedoch nicht für Quasiteilchen, die sich mit jeder Geschwindigkeit fortbewegen können, auch mit superluminaler Geschwindigkeit. „Die Quasiteilchen können sich auf eine Weise bewegen, die die physikalischen Gesetze einzelner Teilchen nicht zulassen würden“, erklärt Palastro. „Es ist diese absolute Freiheit, die Flugbahn der Quasiteilchen zu steuern, die den Schlüssel zu einer neuen Klasse leistungsstarker und dennoch kompakter Lichtquellen darstellen könnte.“

Viera fügt hinzu, dass Quasiteilchen die Strahlung von 10 konstruktiv kombinieren können10 Elektronen. Dabei gehe es, wie er anmerkt, „um die Ladung eines Elektronenpakets am SLAC“.

Eine Möglichkeit, aus Quasiteilchen eine reale Lichtquelle zu machen, bestünde darin, einen intensiven Laserpuls oder ein relativistisches Teilchenbündel in ein Plasma oder Gas zu schicken, wo die Dichte mit der Entfernung zunimmt, fügt er hinzu. Diese Konfiguration wird als Dichteanstiegsrampe bezeichnet und ist bei plasmabasierten Beschleunigern Standard. Diese verwenden jedoch normalerweise ein konstantes Dichteprofil. Der neue Aufbau würde ein superluminales Quasiteilchen erzeugen, das zu einer Quasiteilchen-Cherenkov-Emission führt.

„Um ein wellenförmiges Quasiteilchen zu erzeugen, das zu wellenförmiger Strahlung führt, könnten wir einen intensiven Laserpuls oder ein relativistisches Teilchenbündel in ein Plasma oder Gas schicken, wo die Dichte periodisch (sinusförmig) mit der Entfernung variiert“, erklärt Viera. „Um solche Profile im Labor zu erstellen, stehen bereits unterschiedliche Konfigurationen zur Verfügung (z. B. mithilfe des Interferenzmusters zwischen zwei ionisierenden Laserpulsen, die das Plasma nur in Bereichen konstruktiver Interferenz ionisieren).

„Eine enorme Wirkung“

Wenn sie im Labor gebaut und demonstriert würden, könnten kompakte Lichtquellen auf Basis von Quasiteilchen Wissenschaft und Anwendungen ermöglichen, die derzeit nur an wenigen Orten auf der Welt (wie am LCLS) möglich sind, sagt Viera. „Lichtquellen haben einen enormen Einfluss auf unser Leben, von Wissenschaft und Technologie bis hin zu alltäglichen Anwendungen. Sie spielen beispielsweise eine entscheidende Rolle bei der zerstörungsfreien Bildgebung (z. B. beim Scannen auf Viren oder der Überprüfung der Produktqualität), beim Verständnis biologischer Prozesse (z. B. Photosynthese), bei der Herstellung von Computerchips und bei der Erforschung des Verhaltens von Materie auf Planeten und Sternen.“

Die Forscher untersuchen nun Möglichkeiten, Quasiteilchen in anderen Wellenlängen des elektromagnetischen Spektrums zum Leuchten zu bringen. Röntgenstrahlen beispielsweise haben Wellenlängen um 1 nm und wären besonders nützlich.

„Wir versuchen auch, unser Konzept experimentell zu demonstrieren“, sagt Malaca. „Obwohl es sich im Moment um eine konzeptionelle Innovation handelt, glauben wir, dass der Quasiteilchen-Ansatz einfach genug ist, um in Dutzenden oder sogar Hunderten von Laboren auf der ganzen Welt ausprobiert zu werden.“

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