Teadlased pakuvad välja üliere valgusallika, mis töötab kvaasiosakestega – Physics World

Teadlased pakuvad välja üliere valgusallika, mis töötab kvaasiosakestega – Physics World

Ajatempel: 11. detsember 2023 kell 8:46

Võimsa ja ereda laserallika simulatsioon, mis on loodud paljude elektronide kogumi abil, mis liiguvad koos nagu üks hiiglaslik osake või kvaasiosake
Teadlased uurisid plasmas leiduvate kvaasiosakeste ainulaadseid omadusi, kasutades superarvutites täiustatud arvutisimulatsioone, mis on saadaval Euroopa kõrgjõudlusega andmetöötluse ühisettevõtte kaudu. Nad teevad ettepaneku kasutada kvaasiosakesi, et luua valgusallikaid, mis on sama võimsad kui tänapäeva kõige arenenumad, kuid palju väiksemad. (Viisakalt: B Malaca)

Plasmakiirenditel põhinev uus valgusallikas võiks võimaldada välja töötada ülierksaid allikaid, mis on sama võimsad kui kõige arenenumad vabaelektroonilised laserid, kuid palju väiksemad. Kui seda eksperimentaalselt demonstreeritakse, võib rahvusvahelise teadlaste konsortsiumi esitatud disaini kasutada mitmesugusteks rakendusteks, sealhulgas mittepurustava pildistamise ja arvutikiipide tootmiseks.

Koherentseid valgusallikaid, nagu vabade elektronide laserid, kasutatakse tavapäraselt akadeemilistes uuringutes, kus neid kasutatakse biomolekulide struktuuri, keemiliste reaktsioonide dünaamika ja muude füüsika, keemia ja materjaliteaduse mõistatuste uurimiseks. Probleem on selles, et need on tohutud: võimsaim, Stanfordi ülikooli Linaci koherentne valgusallikas, on kolm kilomeetrit pikk ja seda juhib Stanfordi lineaarkiirendi (SLAC). Nende vähendamine tooks need väiksemate asutuste, näiteks ülikoolide, haiglate ja tööstuslaborite käeulatusse.

"Mehhiko laine" elektronide jaoks

Teadlased eesotsas Jorge Vieira Euroopa Instituto Superior Técnico (IST) Portugalis koos John Palastro Euroopa Rochesteri ülikool, USA, arvavad, et on leidnud viisi just selleks. Nende disain, mille nad töötasid koos kolleegidega välja University of California, Los Angeles ja Laboratoire d'Optique Appliquée Prantsusmaal nõuab võimsa ja ereda laserallika loomist, kasutades paljude elektronide kogumit, mis liiguvad koos nagu üks hiiglaslik osake või kvaasiosake. "Et kujutada ette, mida me selle all mõtleme, mõelge Mehhiko lainetele, mis näivad tiirlevat areeni ümber, kuigi iga osaleja jääb paigale," selgitab Bernardo Malaca, IST doktorant ja aastal avaldatud disaini käsitleva uuringu esimene autor Looduse fotoonika. "Selline kollektiivne laetud osakeste dünaamika on plasmafüüsika keskmes."

Nii nagu Mehhiko laine võib põhimõtteliselt liikuda kiiremini kui üksikud inimesed rahvahulgast (eeldusel, et nad kõik koos töötavad), ütleb Malaca, et sama võib juhtuda elektronidega. Sel juhul oleksid tagajärjed palju sügavamad: "Mehhiko elektronlained võivad liikuda kiiremini kui valguse kiirus, kuigi kohapeal pole ühtegi elektroni, mis oleks valgusest kiirem," selgitab ta.

Kui see juhtub, lisab Malaca, kiirgavad kollektiivsed elektronlained nii, nagu oleksid need üksikud üliluminaalsed elektronid. "Kolektiivset elektronkiirgust saab kujutada nii, nagu see oleks pärit ühest osakesest, mis suurendab võimalust luua seni kujuteldamatu ajaliselt koherentsete allikate klass," räägib ta. Füüsika maailm.

Tšerenkovi efekti kvaasiosakeste versioon

Uues töös uurisid teadlased, keda toetasid Euroopa suure jõudlusega arvutite ühisettevõte, kasutas superarvutite simulatsioone, et uurida kvaasiosakeste omadusi plasmas. Need simulatsioonid näitasid, et kvaasiosakese kiirgus on tõepoolest põhimõtteliselt eristamatu ühe lõpliku suurusega osakese tekitatud kiirgusest.

Portugali-USA-Prantsusmaa meeskond kirjeldab ka Tšerenkovi efekti kvaasiosakeste versiooni füüsikat. Tšerenkovi kiirgus tekib siis, kui laetud osakesed levivad läbi keskkonna kiirusega, mis on kiirem kui valguse kiirus selles keskkonnas. Einsteini erirelatiivsusteooria järgi ei saa see efekt toimuda vaakumis, kus valguse kiirus on fikseeritud veidi alla 300 000 km/s. See piir ei kehti kvaasiosakeste kohta, mis võivad liikuda mis tahes kiirusega, sealhulgas superluminaalsetel. "Kvaasiosakesed võivad liikuda viisil, mida üksikuid osakesi reguleerivad füüsikaseadused ei luba," selgitab Palastro. "See on absoluutne vabadus kontrollida kvaasiosakeste trajektoori, mis võib olla võtmeks võimsate, kuid kompaktsete valgusallikate uue klassi suunas."

Viera lisab, et kvaasiosakesed võivad konstruktiivselt kombineerida kiirgust alates 1010 elektronid. Ta märgib, et see puudutab SLAC-i elektronkimbu laengut.

Ta lisab, et üks viis reaalse maailma valgusallika kvaasiosakestest valmistamiseks oleks saata intensiivne laserimpulss või relativistlik osakeste kimp plasmasse või gaasi, mille tihedus suureneb koos kaugusega. Seda konfiguratsiooni tuntakse tiheduse suurendamise rambina ja see on plasmapõhiste kiirendite standardvarustus. Need kasutavad aga tavaliselt konstantse tiheduse profiili. Uus seade looks superluminaalse kvaasiosakese, mis tooks kaasa kvaasiosakeste-Tšerenkovi emissiooni.

"Lainduvate kvaasiosakeste loomiseks, mis põhjustab lainelist kiirgust, võiksime saata intensiivse laserimpulsi või relativistlike osakeste kimbu plasmasse või gaasi, kus tihedus muutub perioodiliselt (sinusoidaalselt) kaugusega," selgitab Viera. "Selliste profiilide loomiseks laboris on juba saadaval erinevad konfiguratsioonid (näiteks kahe ioniseeriva laserimpulsi vahelise interferentsi mustriga, mis ioniseerivad plasmat ainult konstruktiivsete häirete piirkondades).

“Tohutu mõju”

Kui kvaasiosakestel põhinevad kompaktsed valgusallikad ehitatakse ja demonstreeritakse laboris, võivad need tuua teadust ja rakendusi, mis on praegu võimalikud vaid mõnes kohas üle maailma (nagu LCLS-is), ütleb Viera. „Valgusallikatel on tohutu mõju meie elule, alates teadusest ja tehnoloogiast kuni igapäevaste rakendusteni. Näiteks mängivad nad otsustavat rolli mittepurustavas pildistamises (nagu viiruste otsimine või tootekvaliteedi kontrollimine), bioloogiliste protsesside (nagu fotosüntees) mõistmisel, arvutikiipide valmistamisel ning planeetide ja tähtede mateeria käitumise uurimisel.

Teadlased uurivad nüüd viise, kuidas panna kvaasiosakesed kiirgama elektromagnetilise spektri muudel lainepikkustel. Näiteks röntgenikiirguse lainepikkus on umbes 1 nm ja see oleks eriti kasulik.

"Püüame ka oma kontseptsiooni eksperimentaalselt demonstreerida, " ütleb Malaca. "Kuigi see on hetkel kontseptuaalne uuendus, usume, et kvaasiosakeste lähenemisviis on piisavalt lihtne, et seda saaks proovida kümnetes või isegi sadades laborites üle maailma."

Ajatempel:

Veel alates Füüsika maailm