دانشمندان منبع نور فوق‌العاده‌ای را پیشنهاد می‌کنند که توسط شبه ذرات تغذیه می‌شود - دنیای فیزیک

دانشمندان منبع نور فوق‌العاده‌ای را پیشنهاد می‌کنند که توسط شبه ذرات تغذیه می‌شود - دنیای فیزیک

تمبر زمان: 11 دسامبر 2023، 8:46 صبح

شبیه‌سازی یک منبع لیزری قدرتمند و درخشان که با استفاده از مجموعه‌ای از الکترون‌های بسیاری که مانند یک ذره غول‌پیکر یا شبه ذره با هم حرکت می‌کنند، ایجاد شده است.
دانشمندان خواص منحصر به فرد شبه ذرات در پلاسما را با اجرای شبیه سازی های کامپیوتری پیشرفته بر روی ابررایانه های موجود از طریق شرکت مشترک محاسباتی با کارایی بالا اروپا مورد مطالعه قرار دادند. آنها استفاده از شبه ذرات را برای ایجاد منابع نوری به قدرتمندی پیشرفته ترین منابع موجود امروزی، اما بسیار کوچکتر، پیشنهاد می کنند. (با احترام: B Malaca)

یک منبع نوری جدید پیشنهادی مبتنی بر شتاب‌دهنده‌های پلاسما می‌تواند امکان توسعه منابع فوق‌نور به قدرتمندی پیشرفته‌ترین لیزرهای الکترون آزاد - اما بسیار کوچک‌تر را فراهم کند. اگر به صورت تجربی نشان داده شود، طرح ارائه شده توسط کنسرسیوم بین المللی از محققان ممکن است برای کاربردهای مختلفی از جمله تصویربرداری غیر مخرب و تولید تراشه های کامپیوتری به کار گرفته شود.

منابع نوری منسجم مانند لیزرهای الکترون آزاد به طور معمول در تحقیقات آکادمیک استفاده می‌شوند، جایی که از آنها برای مطالعه ساختار زیست مولکول‌ها، دینامیک واکنش‌های شیمیایی و دیگر معماها در فیزیک، شیمی و علم مواد استفاده می‌شود. مشکل این است که آنها بزرگ هستند: قدرتمندترین منبع نور منسجم Linac دانشگاه استنفورد، سه کیلومتر طول دارد و توسط شتاب دهنده خطی استانفورد (SLAC) هدایت می شود. کوچک کردن آنها می تواند آنها را در دسترس موسسات کوچکتری مانند دانشگاه ها، بیمارستان ها و آزمایشگاه های صنعتی قرار دهد.

یک "موج مکزیکی" برای الکترون ها

محققان به رهبری خورخه ویرا از Instituto Superior Técnico (IST) در پرتغال، همراه با جان پالاسترو از دانشگاه روچستر، ایالات متحده، فکر می کنند آنها راهی برای انجام این کار پیدا کرده اند. طراحی آنها، که آنها با همکاران در دانشگاه کالیفرنیا در لس آنجلس و Laboratoire d'Optique Appliquée در فرانسه، خواستار ایجاد یک منبع لیزری قدرتمند و درخشان با استفاده از مجموعه ای از الکترون های بسیار است که مانند یک ذره غول پیکر یا شبه ذره با هم حرکت می کنند. توضیح می‌دهد: «برای تصور اینکه منظور ما از این چیست، به امواج مکزیکی فکر کنید، که به نظر می‌رسد در اطراف میدان می‌چرخند، حتی اگر هر فرد شرکت‌کننده در جای خود بماند». برناردو مالاکا، یک دانشجوی دکترا در IST و اولین نویسنده یک مطالعه در مورد این طراحی است که در طبیعت فوتونیک. چنین دینامیک ذرات باردار جمعی در قلب فیزیک پلاسما قرار دارد.

درست همانطور که یک موج مکزیکی در اصل می‌تواند سریع‌تر از تک تک انسان‌های موجود در جمعیت حرکت کند (به شرطی که همه با هم کار کنند)، مالاکا می‌گوید همین اتفاق می‌تواند در مورد الکترون‌ها نیز رخ دهد. با این حال، در آن صورت، عواقب بسیار عمیق‌تر خواهد بود: او توضیح می‌دهد: «امواج الکترونی مکزیکی می‌توانند سریع‌تر از سرعت نور حرکت کنند، حتی اگر یک الکترون هم در محلی وجود نداشته باشد که سریع‌تر از نور باشد».

مالاکا اضافه می‌کند که وقتی این اتفاق می‌افتد، امواج الکترونی جمعی به گونه‌ای تابش می‌کنند که گویی یک الکترون فوق‌شورایی واحد هستند. او می‌گوید: «تابش الکترونی جمعی را می‌توان به‌گونه‌ای تصویر کرد که گویی از یک ذره منشا گرفته است، که امکان ایجاد طبقه‌ای از منابع منسجم زمانی را که تاکنون تصور نشده بود، افزایش می‌دهد». دنیای فیزیک

یک نسخه شبه ذره ای از اثر چرنکوف

در کار جدید، محققانی که توسط مشترک شرکت کامپیوتری با کارایی بالا، از شبیه سازی بر روی ابر رایانه ها برای مطالعه خواص شبه ذرات در پلاسما استفاده کرد. این شبیه‌سازی‌ها نشان داد که تشعشع یک شبه ذره در واقع اساساً از تابش تولید شده توسط یک ذره با اندازه محدود قابل تشخیص نیست.

تیم پرتغال-ایالات متحده-فرانسه همچنین فیزیک یک نسخه شبه ذره ای از اثر چرنکوف را توصیف می کند. تابش چرنکوف زمانی اتفاق می افتد که ذرات باردار در یک محیط با سرعتی بیشتر از سرعت نور در آن محیط منتشر می شوند. طبق نظریه نسبیت خاص انیشتین، این اثر نمی تواند در خلاء رخ دهد، جایی که سرعت نور در کمتر از 300 کیلومتر بر ثانیه ثابت است. با این حال، این محدودیت برای شبه ذرات اعمال نمی شود، که می توانند با هر سرعتی حرکت کنند، از جمله ذرات ابرشنوایی. پالاسترو توضیح می دهد: «شبه ذرات می توانند به گونه ای حرکت کنند که توسط قوانین فیزیک حاکم بر ذرات منفرد مجاز نیست. این آزادی مطلق برای کنترل مسیر شبه ذره است که ممکن است کلید دسته جدیدی از منابع نوری قدرتمند و در عین حال فشرده را داشته باشد.

ویرا اضافه می کند که شبه ذرات ممکن است به طور سازنده تابش 10 را با هم ترکیب کنند10 الکترون ها او خاطرنشان می کند که این "درباره بار یک دسته الکترون در SLAC" است.

او می افزاید، یکی از راه های ساخت منبع نوری واقعی از شبه ذرات، ارسال یک پالس لیزری شدید یا دسته ذرات نسبیتی به داخل پلاسما یا گاز است که در آن چگالی با فاصله افزایش می یابد. این پیکربندی به عنوان یک رمپ تراکم بالا شناخته می شود و در شتاب دهنده های مبتنی بر پلاسما استاندارد است. با این حال، اینها معمولاً از پروفیل چگالی ثابت استفاده می کنند. مجموعه جدید یک شبه ذره ابرشورایی ایجاد می کند که منجر به انتشار شبه ذرات چرنکوف می شود.

ویرا توضیح می‌دهد: «برای ایجاد یک شبه ذره موج‌دار، که منجر به تشعشعات مواج می‌شود، می‌توانیم یک پالس لیزری شدید یا دسته ذرات نسبیتی را به داخل پلاسما یا گاز بفرستیم که در آن چگالی به طور متناوب (سینوسی) با فاصله تغییر می‌کند. "پیکربندی های مختلف در حال حاضر برای ایجاد چنین پروفایل هایی در آزمایشگاه موجود است (به عنوان مثال، با استفاده از الگوی تداخل بین دو پالس لیزر یونیزه، که پلاسما را فقط در مناطق تداخل سازنده یونیزه می کند).

"تاثیر عظیم"

ویرا می‌گوید اگر منابع نور فشرده مبتنی بر شبه ذرات ساخته و در آزمایشگاه نشان داده شوند، می‌توانند علم و کاربردهایی را به ارمغان بیاورند که در حال حاضر تنها در چند مکان در سراسر جهان (مانند LCLS) امکان‌پذیر است. منابع نوری از علم و فناوری گرفته تا کاربردهای روزمره تأثیر بسیار زیادی بر زندگی ما دارند. به عنوان مثال، آنها نقش مهمی در تصویربرداری غیر مخرب (مانند اسکن برای ویروس‌ها یا بررسی کیفیت محصول)، درک فرآیندهای بیولوژیکی (مانند فتوسنتز)، ساخت تراشه‌های کامپیوتری و کاوش در رفتار ماده در سیارات و ستارگان دارند.

محققان اکنون در حال بررسی راه هایی برای ایجاد تابش شبه ذرات در سایر طول موج های طیف الکترومغناطیسی هستند. برای مثال، اشعه ایکس دارای طول موجی در حدود 1 نانومتر است و بسیار مفید خواهد بود.

مالاکا می گوید: «ما همچنین سعی می کنیم مفهوم خود را به صورت تجربی نشان دهیم. در حالی که در حال حاضر یک نوآوری مفهومی است، ما معتقدیم که رویکرد شبه ذره به اندازه کافی ساده است که در ده ها یا حتی صدها آزمایشگاه در سراسر جهان آزمایش شود.

تمبر زمان:

بیشتر از دنیای فیزیک