Los científicos proponen una fuente de luz superbrillante alimentada por cuasipartículas – Physics World

Los científicos proponen una fuente de luz superbrillante alimentada por cuasipartículas – Physics World

Marca de tiempo: 11 de diciembre de 2023 8:46 a.m.

Una simulación de una fuente láser potente y brillante creada utilizando una colección de muchos electrones que se mueven juntos como una única partícula gigante o cuasipartícula.
Los científicos estudiaron las propiedades únicas de las cuasipartículas en los plasmas ejecutando simulaciones informáticas avanzadas en superordenadores disponibles a través de la Empresa Común Europea de Computación de Alto Rendimiento. Proponen utilizar cuasipartículas para crear fuentes de luz tan potentes como las más avanzadas que existen hoy en día, pero mucho más pequeñas. (Cortesía: B Malaca)

Una nueva fuente de luz propuesta basada en aceleradores de plasma podría permitir desarrollar fuentes superbrillantes tan potentes como los láseres de electrones libres más avanzados, pero mucho más pequeñas. Si se demuestra experimentalmente, el diseño propuesto por un consorcio internacional de investigadores podría aprovecharse para una variedad de aplicaciones, incluidas imágenes no destructivas y fabricación de chips de computadora.

Las fuentes de luz coherente, como los láseres de electrones libres, se emplean habitualmente en la investigación académica, donde se utilizan para estudiar la estructura de biomoléculas, la dinámica de reacciones químicas y otros enigmas de la física, la química y la ciencia de los materiales. El problema es que son enormes: la más poderosa, la Fuente de Luz Coherente Linac de la Universidad de Stanford, tiene tres kilómetros de largo y está impulsada por el Acelerador Lineal de Stanford (SLAC). Reducirlos los pondría al alcance de instituciones más pequeñas como universidades, hospitales y laboratorios industriales.

Una “ola mexicana” para los electrones

Investigadores liderados por jorge vieira de las Instituto Superior Técnico (IST) en Portugal, junto con Juan Palastro de las Universidad de Rochester, EE. UU., creen que han encontrado una manera de hacer precisamente eso. Su diseño, que desarrollaron con colegas de la Universidad de California en Los Ángeles y del Laboratoire d'Optique Appliquée en Francia, exige la creación de una fuente láser potente y brillante utilizando una colección de muchos electrones que se mueven juntos como una única partícula gigante o cuasipartícula. “Para imaginar lo que queremos decir con esto, piense en las olas mexicanas, que parecen dar vueltas alrededor de la arena, aunque cada participante se queda quieto”, explica Bernardo Malaca, estudiante de doctorado en IST y primer autor de un estudio sobre el diseño publicado en Nature Photonics. "Esta dinámica colectiva de partículas cargadas está en el corazón de la física del plasma".

Así como una onda mexicana puede, en principio, viajar más rápido que los humanos individuales entre la multitud (siempre que todos trabajen juntos), Malaca dice que lo mismo puede suceder con los electrones. En ese caso, sin embargo, las consecuencias serían mucho más profundas: “Las ondas de electrones mexicanos podrían viajar más rápido que la velocidad de la luz, aunque no hay un solo electrón a nivel local que sea más rápido que la luz”, explica.

Cuando eso suceda, añade Malaca, las ondas colectivas de electrones irradiarían como si fueran un único electrón superluminal. "La radiación colectiva de electrones puede representarse como si se originara a partir de una sola partícula, lo que plantea la posibilidad de crear una clase hasta ahora inimaginable de fuentes temporalmente coherentes", dice. Mundo de la Física.

Una versión cuasipartícula del efecto Cherenkov

En el nuevo trabajo, los investigadores, que contaron con el apoyo de la Empresa Común Europea de Informática de Alto Rendimiento, utilizó simulaciones en supercomputadoras para estudiar las propiedades de las cuasipartículas en el plasma. Estas simulaciones demostraron que la radiación de una cuasipartícula es fundamentalmente indistinguible de la producida por una sola partícula de tamaño finito.

El equipo de Portugal, Estados Unidos y Francia también describe la física de una versión cuasipartícula del efecto Cherenkov. La radiación de Cherenkov se produce cuando partículas cargadas se propagan a través de un medio a una velocidad mayor que la velocidad de la luz en ese medio. Según la teoría especial de la relatividad de Einstein, este efecto no puede producirse en el vacío, donde la velocidad de la luz se fija en poco menos de 300 km/s. Sin embargo, este límite no se aplica a las cuasipartículas, que pueden viajar a cualquier velocidad, incluidas las superluminales. "Las cuasipartículas pueden moverse de formas que no estarían permitidas por las leyes de la física que rigen las partículas individuales", explica Palastro. "Es esta libertad absoluta para controlar la trayectoria de la cuasipartícula lo que puede ser la clave para una nueva clase de fuentes de luz potentes pero compactas".

Viera añade que las cuasipartículas pueden combinar constructivamente la radiación de 1010 electrones. Se trata, señala, de “la carga de un haz de electrones en SLAC”.

Una forma de crear una fuente de luz del mundo real a partir de cuasipartículas sería enviar un intenso pulso láser o un grupo de partículas relativistas a un plasma o gas donde la densidad aumenta con la distancia, añade. Esta configuración se conoce como rampa de aumento de densidad y es estándar en los aceleradores basados ​​en plasma. Estos, sin embargo, suelen utilizar un perfil de densidad constante. La nueva configuración crearía una cuasipartícula superluminal que conduciría a la emisión de cuasipartículas Cherenkov.

"Para crear una cuasipartícula ondulante que produzca radiación ondulante, podríamos enviar un intenso pulso láser o un haz de partículas relativistas a un plasma o gas donde la densidad varía periódicamente (sinusoidalmente) con la distancia", explica Viera. “Ya existen diferentes configuraciones para crear estos perfiles en el laboratorio (por ejemplo, utilizando el patrón de interferencia entre dos pulsos de láser ionizantes, que ionizan el plasma solo en las regiones de interferencia constructiva).

“Un impacto enorme”

Si se construyen y se demuestran en el laboratorio, las fuentes de luz compactas basadas en cuasipartículas podrían aportar ciencia y aplicaciones que actualmente sólo son posibles en unos pocos lugares del mundo (como en el LCLS), afirma Viera. “Las fuentes de luz tienen un enorme impacto en nuestras vidas, desde la ciencia y la tecnología hasta las aplicaciones cotidianas. Por ejemplo, desempeñan un papel crucial en la obtención de imágenes no destructivas (como escanear en busca de virus o comprobar la calidad de los productos), comprender procesos biológicos (como la fotosíntesis), fabricar chips de computadora y explorar el comportamiento de la materia en planetas y estrellas”.

Los investigadores ahora están investigando formas de hacer que las cuasipartículas irradien en otras longitudes de onda del espectro electromagnético. Los rayos X, por ejemplo, tienen longitudes de onda de aproximadamente 1 nm y serían especialmente útiles.

"También estamos intentando demostrar experimentalmente nuestro concepto", dice Malaca. "Si bien por el momento se trata de una innovación conceptual, creemos que el enfoque de las cuasipartículas es lo suficientemente simple como para probarlo en docenas o incluso cientos de laboratorios de todo el mundo".

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