Un acelerador láser dieléctrico crea un haz de electrones enfocado – Physics World

Investigadores de Estados Unidos han desarrollado un nuevo dispositivo impulsado por láser que puede confinar y acelerar electrones a distancias de aproximadamente un milímetro. Combinando avances en nanociencia, láseres y tecnología de vacío, Payton Broaddus y colegas de la Universidad de Stanford dicen que han desarrollado el acelerador láser dieléctrico (DLA) de mayor rendimiento hasta la fecha.

Además de impulsar partículas cargadas, como electrones, a altas energías cinéticas, un acelerador útil también debe poder confinar las partículas en un haz estrecho. Además, el haz también debe ser lo más monoenergético posible.

En las instalaciones modernas, esto suele hacerse mediante cavidades de radiofrecuencia (RF) recubiertas de cobre o, más recientemente, de un superconductor como el niobio. Cuando son impulsadas por potentes señales de RF, estas cavidades resonantes desarrollan voltajes muy altos que aceleran las partículas con energías muy específicas. Sin embargo, existen límites físicos a las energías máximas de las partículas que se pueden alcanzar de esta manera.

"Hacer que los campos electromagnéticos sean demasiado grandes puede provocar daños en las paredes [de la cavidad], lo que arruina la máquina", explica Broaddus. "Esta es actualmente una limitación importante en todos los aceleradores convencionales y limita el gradiente de aceleración segura a decenas de megaelectronvoltios por metro". De hecho, esta es la razón principal por la que los aceleradores son cada vez más grandes y más caros para lograr energías de partículas más altas.

Diseños de aceleradores alternativos

Para crear dispositivos más compactos, investigadores de todo el mundo están explorando una variedad de tecnologías de aceleradores alternativas, con el objetivo de lograr el gradiente de aceleración más alto posible en la distancia más corta.

Una tecnología prometedora es el DLA, que se concibió por primera vez en los años cincuenta. En lugar de dirigir una señal de RF a una cavidad conductora, un DLA implica disparar un láser a través de un pequeño canal dentro de un material dieléctrico. Esto crea un campo eléctrico alterno dentro del canal, que actúa como una cavidad resonante. Al optimizar la nanoestructura de la cavidad y al sincronizar cuidadosamente el momento en que los electrones se envían a través del canal, las partículas se aceleran.

Si bien la física de esta configuración es muy similar a la de los diseños de aceleradores más convencionales, ofrece un gradiente de aceleración mucho mayor. Esto podría utilizarse para reducir el tamaño de los aceleradores, al menos en principio.

"Los campos a los que estos dieléctricos pueden sobrevivir gracias a los láseres son uno o dos órdenes de magnitud superiores a los que el cobre puede soportar mediante ondas de RF y, por lo tanto, teóricamente, pueden tener un gradiente de aceleración de uno o dos órdenes de magnitud mayor", explica Broaddus. Sin embargo, señala que reducir el ancho de la cavidad en seis órdenes de magnitud presenta desafíos, incluido cómo mantener los electrones confinados en un haz y evitar que choquen contra las paredes de la cavidad.

Ahora, Broaddus y sus colegas han abordado este desafío aprovechando tres avances tecnológicos. Se trata de la capacidad de crear nanoestructuras semiconductoras muy precisas; la capacidad de producir pulsos de láser de femtosegundos brillantes y coherentes con tasas de repetición estables; y la capacidad de mantener un vacío ultraalto dentro de cavidades semiconductoras de milímetros de longitud.

Nuevas nanoestructuras y pulsos

Mediante el cuidadoso diseño de las nanoestructuras y el uso de pulsos láser con formas especiales, el equipo pudo crear campos eléctricos dentro de su nueva cavidad que enfocan los electrones en un haz.

Esto permitió al equipo acelerar un haz de electrones confinado a una distancia de 0.708 mm, aumentando su energía en 24 keV. "Esto representa un aumento de un orden de magnitud en ambas cifras de mérito en comparación con aceleradoras anteriores", explica Broaddus.

Basándose en su último logro, el equipo confía en que los DLA podrían mejorar enormemente la capacidad de los investigadores para lograr energías electrónicas subrelativistas. "Los DLA ahora pueden tratarse como una tecnología de acelerador real, donde podemos extraer parámetros de acelerador tradicionales de nuestros dispositivos y que pueden compararse con otras tecnologías de acelerador", explica Broaddus.

A su vez, estas mejoras podrían allanar el camino para nuevos descubrimientos en física fundamental e incluso podrían ofrecer nuevos beneficios en campos como la industria y la medicina.

La investigación se describe en Physical Review Letters.

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• Fuente: https://physicsworld.com/a/dielectric-laser-accelerator-creates-focused-electron-beam/