Para ilmuwan mengusulkan sumber cahaya super terang yang ditenagai oleh partikel kuasi – Dunia Fisika

Sumber cahaya baru yang diusulkan berdasarkan akselerator plasma dapat memungkinkan pengembangan sumber cahaya super terang yang sekuat laser elektron bebas tercanggih – namun jauh lebih kecil. Jika didemonstrasikan secara eksperimental, desain yang diajukan oleh konsorsium peneliti internasional mungkin dapat dimanfaatkan untuk berbagai aplikasi, termasuk pencitraan non-destruktif dan pembuatan chip komputer.

Sumber cahaya koheren seperti laser elektron bebas secara rutin digunakan dalam penelitian akademis, yang digunakan untuk mempelajari struktur biomolekul, dinamika reaksi kimia, dan teka-teki lain dalam fisika, kimia, dan ilmu material. Masalahnya adalah ukurannya sangat besar: yang paling kuat, Linac Coherent Light Source dari Universitas Stanford, memiliki panjang tiga kilometer dan digerakkan oleh Stanford Linear Accelerator (SLAC). Mengurangi jumlah mereka akan membuat mereka lebih mudah dijangkau oleh lembaga-lembaga yang lebih kecil seperti universitas, rumah sakit, dan laboratorium industri.

Sebuah “gelombang Meksiko” untuk elektron

Peneliti yang dipimpin oleh Jorge Vieira dari Instituto Superior Técnico (IST) di Portugal, bersama dengan John Palastro dari University of Rochester, AS, mereka merasa telah menemukan cara untuk melakukan hal tersebut. Desain mereka, yang mereka kembangkan bersama rekan-rekan di Universitas California, Los Angeles dan Aplikasi Laboratoire d'Optique di Perancis, menyerukan agar sumber laser yang kuat dan terang dibuat menggunakan kumpulan banyak elektron yang bergerak bersama seperti satu partikel raksasa, atau kuasipartikel. “Untuk menggambarkan apa yang kami maksud dengan hal ini, bayangkan ombak Meksiko, yang sepertinya mengelilingi arena, meskipun setiap peserta tetap diam,” jelasnya. Bernardo Malaka, seorang mahasiswa PhD di IST dan penulis pertama studi tentang desain yang diterbitkan di Nature Photonics. “Dinamika partikel bermuatan kolektif adalah inti dari fisika plasma.”

Sebagaimana gelombang di Meksiko, pada prinsipnya, dapat merambat lebih cepat daripada gelombang yang dialami manusia secara individu (asalkan mereka semua bekerja sama), Malaca mengatakan hal yang sama juga dapat terjadi pada elektron. Namun, jika hal ini terjadi, konsekuensinya akan jauh lebih besar: “Gelombang elektron di Meksiko dapat merambat lebih cepat daripada kecepatan cahaya, meskipun tidak ada satu elektron pun di wilayah tersebut yang lebih cepat dari kecepatan cahaya,” jelasnya.

Ketika hal ini terjadi, Malaca menambahkan, gelombang elektron kolektif akan memancar seolah-olah mereka adalah satu elektron superluminal. “Radiasi elektron kolektif dapat digambarkan seolah-olah berasal dari satu partikel, sehingga meningkatkan kemungkinan terciptanya kelas sumber koheren sementara yang sampai sekarang belum terbayangkan,” katanya. Dunia Fisika.

Versi kuasipartikel dari efek Cherenkov

Dalam karya barunya, para peneliti, yang didukung oleh Usaha Bersama Komputasi Kinerja Tinggi Eropa, menggunakan simulasi pada superkomputer untuk mempelajari sifat-sifat kuasipartikel dalam plasma. Simulasi ini menunjukkan bahwa radiasi dari kuasipartikel pada dasarnya tidak dapat dibedakan dengan radiasi yang dihasilkan oleh partikel berukuran terbatas.

Tim Portugal-AS-Prancis juga mendeskripsikan fisika efek Cherenkov versi kuasipartikel. Radiasi Cherenkov terjadi ketika partikel bermuatan merambat melalui suatu medium dengan kecepatan yang lebih cepat dari kecepatan cahaya dalam medium tersebut. Menurut teori relativitas khusus Einstein, efek ini tidak dapat terjadi dalam ruang hampa, yang kecepatan cahayanya tetap di bawah 300 km/s. Batasan ini tidak berlaku untuk partikel kuasi, yang dapat bergerak dengan kecepatan berapa pun, termasuk kecepatan superluminal. “Partikel kuasi dapat bergerak dengan cara yang tidak diperbolehkan oleh hukum fisika yang mengatur partikel individu,” jelas Palastro. “Kebebasan mutlak untuk mengontrol lintasan kuasipartikel inilah yang mungkin menjadi kunci menuju sumber cahaya kelas baru yang kuat namun kompak.”

Viera menambahkan bahwa kuasipartikel secara konstruktif dapat menggabungkan radiasi dari 10¹⁰ elektron. Ini, katanya, adalah “tentang muatan kumpulan elektron di SLAC”.

Salah satu cara untuk membuat sumber cahaya nyata dari kuasipartikel adalah dengan mengirimkan pulsa laser yang kuat atau kumpulan partikel relativistik ke dalam plasma atau gas yang kepadatannya meningkat seiring bertambahnya jarak, tambahnya. Konfigurasi ini dikenal sebagai peningkatan kepadatan dan merupakan standar dalam akselerator berbasis plasma. Namun, ini biasanya menggunakan profil kepadatan konstan. Pengaturan baru ini akan menciptakan kuasipartikel superluminal yang mengarah ke emisi kuasipartikel-Cherenkov.

“Untuk membuat partikel kuasi bergelombang yang menghasilkan radiasi bergelombang, kita dapat mengirimkan pulsa laser yang kuat atau kumpulan partikel relativistik ke dalam plasma atau gas yang kepadatannya bervariasi secara periodik (sinusoidal) seiring dengan jarak,” jelas Viera. “Konfigurasi berbeda telah tersedia untuk membuat profil seperti itu di laboratorium (misalnya, menggunakan pola interferensi antara dua pulsa laser pengion, yang mengionisasi plasma hanya di wilayah interferensi konstruktif).

“Dampak yang sangat besar”

Jika dibangun dan didemonstrasikan di laboratorium, sumber cahaya kompak berdasarkan kuasipartikel dapat membawa ilmu pengetahuan dan penerapan yang saat ini hanya mungkin dilakukan di beberapa tempat di dunia (seperti di LCLS), kata Viera. “Sumber cahaya mempunyai dampak yang sangat besar terhadap kehidupan kita, mulai dari sains dan teknologi hingga penerapan sehari-hari. Misalnya, mereka memainkan peran penting dalam pencitraan non-destruktif (seperti memindai virus atau memeriksa kualitas produk), memahami proses biologis (seperti fotosintesis), membuat chip komputer, dan mengeksplorasi perilaku materi di planet dan bintang.”

Akselerator partikel baru digerakkan oleh sinar laser melengkung

Para peneliti sekarang sedang menyelidiki cara membuat partikel kuasi memancar pada panjang gelombang lain dari spektrum elektromagnetik. Sinar-X, misalnya, memiliki panjang gelombang sekitar 1 nm, dan akan sangat berguna.

“Kami juga mencoba mendemonstrasikan konsep kami secara eksperimental,” kata Malaca. “Meskipun merupakan inovasi konseptual saat ini, kami percaya bahwa pendekatan kuasipartikel cukup sederhana untuk diuji di lusinan atau bahkan ratusan laboratorium di seluruh dunia.”

• Konten Bertenaga SEO & Distribusi PR. Dapatkan Amplifikasi Hari Ini.
• PlatoData.Jaringan Vertikal Generatif Ai. Berdayakan Diri Anda. Akses Di Sini.
• PlatoAiStream. Intelijen Web3. Pengetahuan Diperkuat. Akses Di Sini.
• PlatoESG. Karbon, teknologi bersih, energi, Lingkungan Hidup, Tenaga surya, Penanganan limbah. Akses Di Sini.
• PlatoHealth. Kecerdasan Uji Coba Biotek dan Klinis. Akses Di Sini.
• Sumber: https://physicsworld.com/a/scientists-propose-super-bright-light-source-powered-by-quasiparticles/