Tiedemiehet ehdottavat superkirkasta valonlähdettä, joka toimii kvasihiukkasilla – Physics World

Tiedemiehet ehdottavat superkirkasta valonlähdettä, joka toimii kvasihiukkasilla – Physics World

Aikaleima: 11. joulukuuta 2023 8

Simulaatio tehokkaasta ja kirkkaasta laserlähteestä, joka on luotu käyttämällä kokoelmaa monia elektroneja, jotka liikkuvat yhdessä kuin yksi jättimäinen hiukkanen tai kvasihiukkanen
Tutkijat tutkivat plasmassa olevien kvasihiukkasten ainutlaatuisia ominaisuuksia suorittamalla kehittyneitä tietokonesimulaatioita supertietokoneissa, jotka ovat saatavilla European High-Performance Computing -yhteisyrityksen kautta. He ehdottavat kvasihiukkasten käyttöä yhtä tehokkaiden valonlähteiden luomiseksi kuin nykypäivän edistyneimmät, mutta paljon pienempiä. (Kohtelias: B Malaca)

Ehdotettu uusi plasmakiihdyttimiin perustuva valonlähde voisi mahdollistaa superkirkkaiden lähteiden kehittämisen, jotka ovat yhtä tehokkaita kuin edistyneimmät vapaan elektronin laserit – mutta paljon pienempiä. Jos se osoitetaan kokeellisesti, kansainvälisen tutkijoiden yhteenliittymän esittämää suunnittelua voidaan hyödyntää useissa sovelluksissa, mukaan lukien tuhoamaton kuvantaminen ja tietokonesirujen valmistus.

Koherentteja valonlähteitä, kuten vapaiden elektronien lasereita, käytetään rutiininomaisesti akateemisessa tutkimuksessa, jossa niillä tutkitaan biomolekyylien rakennetta, kemiallisten reaktioiden dynamiikkaa ja muita fysiikan, kemian ja materiaalitieteen arvoituksia. Ongelmana on, että ne ovat valtavia: tehokkain, Stanfordin yliopiston Linac Coherent Light Source, on kolme kilometriä pitkä ja sitä ohjaa Stanford Linear Accelerator (SLAC). Niiden pienentäminen toisi ne pienempien laitosten, kuten yliopistojen, sairaaloiden ja teollisuuslaboratorioiden, ulottuville.

"Meksikolainen aalto" elektroneille

Tutkijat johdolla Jorge Vieira että Instituto Superior Técnico (IST) Portugalissa yhdessä John Palastro että University of Rochester, USA, luulevat löytäneensä tavan tehdä juuri niin. Heidän suunnittelunsa, jonka he kehittivät kollegoidensa kanssa Kalifornian yliopisto, Los Angeles ja Laboratoire d'Optique Appliquée Ranskassa vaaditaan tehokkaan ja kirkkaan laserlähteen luomista käyttämällä kokoelmaa monia elektroneja, jotka liikkuvat yhdessä kuin yksi jättimäinen hiukkanen tai kvasihiukkanen. "Kuvitellaksesi, mitä tarkoitamme tällä, ajattele meksikolaisia ​​aaltoja, jotka näyttävät kiertävän areenan, vaikka jokainen osallistuja pysyy paikallaan", selittää. Bernardo Malaca, IST:n tohtoriopiskelija ja suunnittelua koskevan tutkimuksen ensimmäinen kirjoittaja Luonto Fotoniikka. "Tällainen kollektiivinen varautuneiden hiukkasten dynamiikka on plasmafysiikan ytimessä."

Aivan kuten meksikolainen aalto voi periaatteessa kulkea nopeammin kuin yksittäiset ihmiset joukossa (edellyttäen, että he kaikki toimivat yhdessä), Malaca sanoo, että sama voi tapahtua elektronien kanssa. Siinä tapauksessa seuraukset olisivat kuitenkin paljon syvällisempiä: "Meksikolaiset elektroniaallot voisivat kulkea valonnopeutta nopeammin, vaikka paikallisesti ei ole yhtään valoa nopeampaa elektronia", hän selittää.

Kun näin tapahtuu, Malaca lisää, kollektiiviset elektroniaallot säteilevät ikään kuin ne olisivat yksi superluminaalinen elektroni. "Kollektiivinen elektronisäteily voidaan kuvata ikään kuin se olisi peräisin yhdestä hiukkasesta, mikä lisää mahdollisuutta luoda tähän asti käsittämätön ajallisesti koherenttien lähteiden luokka", hän kertoo. Fysiikan maailma.

Kvasihiukkanen versio Cherenkov-ilmiöstä

Uudessa työssä tutkijat, joita tukivat mm Euroopan korkean suorituskyvyn tietojenkäsittelyn yhteisyritys, käytti supertietokoneiden simulaatioita tutkiakseen kvasihiukkasten ominaisuuksia plasmassa. Nämä simulaatiot osoittivat, että kvasihiukkasen säteily on todellakin pohjimmiltaan mahdotonta erottaa yksittäisen äärellisen kokoisen hiukkasen tuottamasta säteilystä.

Portugali-US-Ranska -ryhmä kuvaa myös Tšerenkovin efektin kvasihiukkasversion fysiikkaa. Cherenkov-säteilyä syntyy, kun varautuneet hiukkaset etenevät väliaineen läpi nopeudella, joka on nopeampi kuin valon nopeus kyseisessä väliaineessa. Einsteinin erityisen suhteellisuusteorian mukaan tämä vaikutus ei voi tapahtua tyhjiössä, jossa valon nopeus on kiinteästi vajaat 300 000 km/s. Tämä raja ei kuitenkaan koske kvasihiukkasia, jotka voivat kulkea millä tahansa nopeudella, mukaan lukien superluminaaliset. "Kvasihiukkaset voivat liikkua tavoilla, jotka yksittäisiä hiukkasia säätelevät fysiikan lait eivät salli", Palastro selittää. "Tämä ehdoton vapaus hallita kvasihiukkasten liikerataa voi olla avainta kohti uutta tehokkaiden mutta kompaktien valonlähteiden luokkaa."

Viera lisää, että kvasihiukkaset voivat rakentavasti yhdistää säteilyn 10:stä10 elektroneja. Hän huomauttaa, että tässä on kyse "elektronijoukon varauksesta SLAC:ssa".

Yksi tapa tehdä todellinen valonlähde kvasihiukkasista olisi lähettää voimakas laserpulssi tai relativistinen hiukkasnippu plasmaan tai kaasuun, jonka tiheys kasvaa etäisyyden myötä, hän lisää. Tämä kokoonpano tunnetaan tiheyden lisäysramppina ja se on vakiona plasmapohjaisissa kiihdyttimissä. Nämä käyttävät kuitenkin yleensä vakiotiheysprofiilia. Uusi järjestely loisi superluminaalisen kvasipartikkelin, joka johtaisi kvasihiukkas-Cherenkov-päästöihin.

"Voimme luoda aaltoilevan kvasihiukkasen, joka johtaa aaltoilevaan säteilyyn, lähettämällä voimakkaan laserpulssin tai relativistisen hiukkasnipun plasmaan tai kaasuun, jonka tiheys vaihtelee ajoittain (sinimuotoisesti) etäisyyden mukaan", Viera selittää. "Laboratoriossa on jo saatavilla erilaisia ​​konfiguraatioita tällaisten profiilien luomiseen (esimerkiksi käyttämällä kahden ionisoivan laserpulssin välistä interferenssikuviota, jotka ionisoivat plasman vain rakentavan häiriön alueilla).

"Valtava vaikutus"

Jos kvasihiukkasiin perustuvat kompaktit valonlähteet rakennetaan ja demonstroidaan laboratoriossa, ne voisivat tuoda tiedettä ja sovelluksia, jotka ovat tällä hetkellä mahdollisia vain muutamissa paikoissa ympäri maailmaa (kuten LCLS:ssä), Viera sanoo. ”Valonlähteillä on valtava vaikutus elämäämme tieteestä ja teknologiasta jokapäiväisiin sovelluksiin. Niillä on esimerkiksi ratkaiseva rooli tuhoamattomassa kuvantamisessa (kuten virusten skannauksessa tai tuotteiden laadun tarkistamisessa), biologisten prosessien (kuten fotosynteesin) ymmärtämisessä, tietokonesirujen valmistuksessa ja aineen käyttäytymisen tutkimisessa planeetoissa ja tähdissä.

Tutkijat tutkivat nyt tapoja saada kvasihiukkaset säteilemään muilla sähkömagneettisen spektrin aallonpituuksilla. Esimerkiksi röntgensäteiden aallonpituudet ovat noin 1 nm, ja ne olisivat erityisen hyödyllisiä.

"Yritämme myös esitellä konseptimme kokeellisesti", Malaca sanoo. "Vaikka se on tällä hetkellä käsitteellinen innovaatio, uskomme, että kvasihiukkaslähestymistapa on tarpeeksi yksinkertainen testattavaksi kymmenissä tai jopa sadoissa laboratorioissa ympäri maailmaa."

Aikaleima:

Lisää aiheesta Fysiikan maailma