Οι επιστήμονες προτείνουν μια εξαιρετικά φωτεινή πηγή φωτός που τροφοδοτείται από οιονεί σωματίδια - Physics World

Μια προτεινόμενη νέα πηγή φωτός που βασίζεται σε επιταχυντές πλάσματος θα μπορούσε να καταστήσει δυνατή την ανάπτυξη εξαιρετικά φωτεινών πηγών τόσο ισχυρών όσο τα πιο προηγμένα λέιζερ ελεύθερων ηλεκτρονίων – αλλά πολύ μικρότερες. Εάν αποδειχθεί πειραματικά, ο σχεδιασμός που προτάθηκε από μια διεθνή κοινοπραξία ερευνητών θα μπορούσε να αξιοποιηθεί για μια ποικιλία εφαρμογών, συμπεριλαμβανομένης της μη καταστροφικής απεικόνισης και της κατασκευής τσιπ υπολογιστή.

Συνεκτικές πηγές φωτός, όπως λέιζερ ελεύθερων ηλεκτρονίων, χρησιμοποιούνται συνήθως στην ακαδημαϊκή έρευνα, όπου χρησιμοποιούνται για τη μελέτη της δομής των βιομορίων, τη δυναμική των χημικών αντιδράσεων και άλλα παζλ στη φυσική, τη χημεία και την επιστήμη των υλικών. Το πρόβλημα είναι ότι είναι τεράστιοι: η πιο ισχυρή, η Συνεκτική Πηγή Φωτός Linac του Πανεπιστημίου Στάνφορντ, έχει μήκος τρία χιλιόμετρα και οδηγείται από τον Γραμμικό Επιταχυντή Στάνφορντ (SLAC). Η μείωση τους θα τους έφερνε κοντά σε μικρότερα ιδρύματα όπως πανεπιστήμια, νοσοκομεία και βιομηχανικά εργαστήρια.

Ένα «μεξικανικό κύμα» για τα ηλεκτρόνια

Ερευνητές με επικεφαλής τον Χόρχε Βιέιρα του Instituto Superior Técnico (IST) στην Πορτογαλία, μαζί με Γιάννης Παλάστρο του Πανεπιστήμιο του Ρότσεστερ, ΗΠΑ, νομίζουν ότι έχουν βρει έναν τρόπο να κάνουν ακριβώς αυτό. Το σχέδιό τους, το οποίο ανέπτυξαν με συναδέλφους στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Λος Άντζελες και την Laboratoire d'Optique Appliquée στη Γαλλία, ζητά να δημιουργηθεί μια ισχυρή και φωτεινή πηγή λέιζερ χρησιμοποιώντας μια συλλογή πολλών ηλεκτρονίων που κινούνται μαζί σαν ένα μόνο γιγάντιο σωματίδιο ή οιονεί σωματίδιο. «Για να φανταστούμε τι εννοούμε με αυτό, σκεφτείτε τα μεξικανικά κύματα, τα οποία φαίνεται να περιφέρονται στην αρένα, παρόλο που κάθε συμμετέχων παραμένει στη θέση του», εξηγεί. Μπερνάρντο Μαλάκα, φοιτητής διδακτορικού στο IST και πρώτος συγγραφέας μιας μελέτης για το σχέδιο που δημοσιεύτηκε στο Nature Photonics. «Τέτοια δυναμική συλλογικών φορτισμένων σωματιδίων βρίσκεται στην καρδιά της φυσικής του πλάσματος».

Ακριβώς όπως ένα μεξικάνικο κύμα μπορεί, κατ' αρχήν, να ταξιδέψει πιο γρήγορα από τους μεμονωμένους ανθρώπους στο πλήθος (υπό την προϋπόθεση ότι συνεργάζονται όλοι μαζί), ο Malaca λέει ότι το ίδιο μπορεί να συμβεί με τα ηλεκτρόνια. Σε αυτή την περίπτωση, όμως, οι συνέπειες θα ήταν πολύ πιο βαθιές: «Τα μεξικανικά κύματα ηλεκτρονίων θα μπορούσαν να ταξιδέψουν ταχύτερα από την ταχύτητα του φωτός, παρόλο που δεν υπάρχει ούτε ένα ηλεκτρόνιο τοπικά ταχύτερο από το φως», εξηγεί.

Όταν συμβεί αυτό, προσθέτει ο Malaca, τα συλλογικά ηλεκτρονιακά κύματα θα ακτινοβολούν σαν να ήταν ένα ενιαίο υπερφωταύγειο ηλεκτρόνιο. «Η συλλογική ακτινοβολία ηλεκτρονίων μπορεί να απεικονιστεί σαν να προέρχεται από ένα μόνο σωματίδιο, αυξάνοντας την πιθανότητα να δημιουργηθεί μια αδιανόητη μέχρι τώρα τάξη χρονικά συνεκτικών πηγών», λέει. Κόσμος Φυσικής.

Μια οιονεί σωματιδιακή εκδοχή του φαινομένου Cherenkov

Στη νέα εργασία, οι ερευνητές, οι οποίοι υποστηρίχθηκαν από το Ευρωπαϊκή κοινή επιχείρηση υπολογιστών υψηλών επιδόσεων, χρησιμοποίησε προσομοιώσεις σε υπερυπολογιστές για να μελετήσει τις ιδιότητες των οιονεί σωματιδίων στο πλάσμα. Αυτές οι προσομοιώσεις έδειξαν ότι η ακτινοβολία από ένα οιονεί σωματίδιο είναι πράγματι ουσιαστικά αδιάκριτη από αυτή που παράγεται από ένα μόνο πεπερασμένου μεγέθους σωματίδιο.

Η ομάδα Πορτογαλίας-ΗΠΑ-Γαλλίας περιγράφει επίσης τη φυσική μιας οιονείσωματιδιακής εκδοχής του φαινομένου Cherenkov. Η ακτινοβολία Cherenkov εμφανίζεται όταν φορτισμένα σωματίδια διαδίδονται μέσω ενός μέσου με ταχύτητα μεγαλύτερη από την ταχύτητα του φωτός σε αυτό το μέσο. Σύμφωνα με την ειδική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν, αυτό το φαινόμενο δεν μπορεί να λάβει χώρα στο κενό, όπου η ταχύτητα του φωτός είναι σταθερή σε κάτι λιγότερο από 300 km/s. Αυτό το όριο δεν ισχύει, ωστόσο, για οιονεί σωματίδια, τα οποία μπορούν να ταξιδεύουν με οποιαδήποτε ταχύτητα, συμπεριλαμβανομένων των υπερφωτιστών. «Τα οιονεί σωματίδια μπορούν να κινηθούν με τρόπους που θα ήταν απαγορευμένοι από τους νόμους της φυσικής που διέπουν τα μεμονωμένα σωματίδια», εξηγεί ο Palastro. «Είναι αυτή η απόλυτη ελευθερία στον έλεγχο της τροχιάς των οιονεί σωματιδίων που μπορεί να κρατά το κλειδί για μια νέα κατηγορία ισχυρών αλλά συμπαγών πηγών φωτός».

Ο Viera προσθέτει ότι τα οιονεί σωματίδια μπορούν να συνδυάσουν εποικοδομητικά την ακτινοβολία από το 10¹⁰ ηλεκτρόνια. Αυτό, σημειώνει, είναι «σχετικά με το φορτίο μιας δέσμης ηλεκτρονίων στο SLAC».

Ένας τρόπος για να φτιάξουμε μια πραγματική πηγή φωτός από οιονεί σωματίδια θα ήταν να στείλουμε έναν έντονο παλμό λέιζερ ή μια σχετικιστική δέσμη σωματιδίων σε ένα πλάσμα ή αέριο όπου η πυκνότητα αυξάνεται με την απόσταση, προσθέτει. Αυτή η διαμόρφωση είναι γνωστή ως ράμπα πυκνότητας και είναι στάνταρ σε επιταχυντές που βασίζονται σε πλάσμα. Αυτά, ωστόσο, συνήθως χρησιμοποιούν προφίλ σταθερής πυκνότητας. Η νέα διάταξη θα δημιουργήσει ένα υπερφωτεινό οιονείσωματίδιο που θα οδηγεί σε εκπομπή οιονεί σωματιδίων-Cherenkov.

«Για να δημιουργήσουμε ένα κυματοειδές οιονείσωματίδιο, που οδηγεί σε κυματοειδή ακτινοβολία, θα μπορούσαμε να στείλουμε έναν έντονο παλμό λέιζερ ή μια σχετικιστική δέσμη σωματιδίων σε ένα πλάσμα ή αέριο όπου η πυκνότητα ποικίλλει περιοδικά (ημιτονοειδώς) ανάλογα με την απόσταση», εξηγεί ο Viera. «Διαφορετικές διαμορφώσεις είναι ήδη διαθέσιμες για τη δημιουργία τέτοιων προφίλ στο εργαστήριο (για παράδειγμα, χρησιμοποιώντας το μοτίβο παρεμβολής μεταξύ δύο παλμών λέιζερ ιονισμού, οι οποίοι ιονίζουν το πλάσμα μόνο σε περιοχές εποικοδομητικής παρεμβολής).

“Τεράστια επίδραση”

Εάν κατασκευαστούν και αποδειχθούν στο εργαστήριο, οι συμπαγείς πηγές φωτός που βασίζονται σε οιονεί σωματίδια θα μπορούσαν να φέρουν επιστήμη και εφαρμογές που είναι επί του παρόντος δυνατές μόνο σε λίγα μέρη σε όλο τον κόσμο (όπως στο LCLS), λέει ο Viera. «Οι πηγές φωτός έχουν τεράστιο αντίκτυπο στη ζωή μας, από την επιστήμη και την τεχνολογία μέχρι τις καθημερινές εφαρμογές. Για παράδειγμα, παίζουν καθοριστικό ρόλο στη μη καταστροφική απεικόνιση (όπως η σάρωση για ιούς ή ο έλεγχος της ποιότητας του προϊόντος), η κατανόηση βιολογικών διεργασιών (όπως η φωτοσύνθεση), η κατασκευή τσιπ υπολογιστών και η εξερεύνηση της συμπεριφοράς της ύλης σε πλανήτες και αστέρια.

Ο νέος επιταχυντής σωματιδίων κινείται από καμπύλες ακτίνες λέιζερ

Οι ερευνητές τώρα διερευνούν τρόπους για να κάνουν τα οιονεί σωματίδια να ακτινοβολούν σε άλλα μήκη κύματος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Οι ακτίνες Χ, για παράδειγμα, έχουν μήκη κύματος περίπου 1 nm και θα ήταν ιδιαίτερα χρήσιμες.

«Προσπαθούμε επίσης να δείξουμε πειραματικά την ιδέα μας», λέει ο Malaca. «Αν και είναι μια εννοιολογική καινοτομία προς το παρόν, πιστεύουμε ότι η προσέγγιση των οιονεί σωματιδίων είναι αρκετά απλή ώστε να δοκιμαστεί σε δεκάδες ή και εκατοντάδες εργαστήρια σε όλο τον κόσμο».

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/scientists-propose-super-bright-light-source-powered-by-quasiparticles/