Gli scienziati propongono una sorgente di luce super luminosa alimentata da quasiparticelle – Physics World

Gli scienziati propongono una sorgente di luce super luminosa alimentata da quasiparticelle – Physics World

Timestamp: 11 dicembre 2023 8:46

Una simulazione di una sorgente laser potente e luminosa creata utilizzando una raccolta di molti elettroni che si muovono insieme come un'unica particella gigante, o quasiparticella
Gli scienziati hanno studiato le proprietà uniche delle quasiparticelle nei plasmi eseguendo simulazioni computerizzate avanzate su supercomputer disponibili attraverso l'impresa comune europea per il calcolo ad alte prestazioni. Propongono di utilizzare le quasiparticelle per creare sorgenti luminose potenti quanto quelle più avanzate esistenti oggi, ma molto più piccole. (Per gentile concessione: B Malaca)

Una nuova sorgente luminosa proposta basata su acceleratori al plasma potrebbe rendere possibile lo sviluppo di sorgenti super luminose potenti quanto i laser a elettroni liberi più avanzati, ma molto più piccole. Se dimostrato sperimentalmente, il progetto presentato da un consorzio internazionale di ricercatori potrebbe essere sfruttato per una varietà di applicazioni, tra cui l’imaging non distruttivo e la produzione di chip per computer.

Sorgenti di luce coerente come i laser a elettroni liberi vengono abitualmente impiegate nella ricerca accademica, dove vengono utilizzate per studiare la struttura delle biomolecole, la dinamica delle reazioni chimiche e altri enigmi in fisica, chimica e scienza dei materiali. Il problema è che sono enormi: la più potente, la Linac Coherent Light Source della Stanford University, è lunga tre chilometri ed è azionata dallo Stanford Linear Accelerator (SLAC). Ridimensionarli li porterebbe alla portata di istituzioni più piccole come università, ospedali e laboratori industriali.

Una “onda messicana” per gli elettroni

I ricercatori guidati da Jorge Vieira della Istituto Superiore Tecnico (IST) in Portogallo, insieme a Giovanni Palastro della Università di Rochester, Gli Stati Uniti pensano di aver trovato un modo per fare proprio questo. Il loro design, che hanno sviluppato con i colleghi dell' University of California, Los Angeles e la Laboratorio di ottica applicata in Francia, chiede la creazione di una sorgente laser potente e luminosa utilizzando un insieme di numerosi elettroni che si muovono insieme come un'unica particella gigante, o quasiparticella. "Per immaginare cosa intendiamo con questo, pensa alle onde messicane, che sembrano girare intorno all'arena, anche se ogni partecipante rimane fermo", spiega Bernardo Malaca, dottorando presso l'IST e primo autore di uno studio sul design pubblicato nel Nature Photonics. “Tale dinamica collettiva delle particelle cariche è al centro della fisica del plasma”.

Proprio come un’onda messicana può, in linea di principio, viaggiare più velocemente dei singoli esseri umani nella folla (a condizione che lavorino tutti insieme), Malaca dice che la stessa cosa può accadere con gli elettroni. In tal caso, però, le conseguenze sarebbero molto più profonde: "Le onde degli elettroni messicani potrebbero viaggiare più velocemente della velocità della luce, anche se localmente non esiste un singolo elettrone che sia più veloce della luce", spiega.

Quando ciò accade, aggiunge Malaca, le onde elettroniche collettive si irradierebbero come se fossero un singolo elettrone superluminale. "La radiazione elettronica collettiva può essere immaginata come se provenisse da una singola particella, aumentando la possibilità di creare una classe finora inimmaginabile di fonti temporalmente coerenti", dice Mondo della fisica.

Una versione quasiparticellare dell'effetto Cherenkov

Nel nuovo lavoro, i ricercatori, che sono stati supportati da Impresa comune europea di elaborazione ad alte prestazioni, hanno utilizzato simulazioni su supercomputer per studiare le proprietà delle quasiparticelle nel plasma. Queste simulazioni hanno dimostrato che la radiazione emessa da una quasiparticella è infatti fondamentalmente indistinguibile da quella prodotta da una singola particella di dimensioni finite.

Il team Portogallo-Stati Uniti-Francia descrive anche la fisica di una versione quasiparticellare dell'effetto Cherenkov. La radiazione Cherenkov si verifica quando le particelle cariche si propagano attraverso un mezzo ad una velocità maggiore della velocità della luce in quel mezzo. Secondo la teoria della relatività speciale di Einstein, questo effetto non può verificarsi nel vuoto, dove la velocità della luce è fissata a poco meno di 300 000 km/s. Questo limite, tuttavia, non si applica alle quasiparticelle, che possono viaggiare a qualsiasi velocità, comprese quelle superluminali. "Le quasiparticelle possono muoversi in modi che non sarebbero consentiti dalle leggi della fisica che governano le singole particelle", spiega Palastro. “È questa assoluta libertà di controllare la traiettoria delle quasiparticelle che potrebbe essere la chiave verso una nuova classe di sorgenti luminose potenti ma compatte”.

Viera aggiunge che le quasiparticelle possono combinare in modo costruttivo la radiazione di 1010 elettroni. Questo, osserva, riguarda "la carica di un gruppo di elettroni nello SLAC".

Un modo per creare una sorgente di luce reale a partire da quasiparticelle sarebbe quello di inviare un intenso impulso laser o un gruppo di particelle relativistiche in un plasma o gas dove la densità aumenta con la distanza, aggiunge. Questa configurazione è nota come rampa di aumento della densità ed è standard negli acceleratori basati sul plasma. Questi, tuttavia, utilizzano solitamente un profilo di densità costante. Il nuovo assetto creerebbe una quasiparticella superluminale che porterebbe all’emissione di quasiparticella-Cherenkov.

“Per creare una quasiparticella ondulata, che porta a una radiazione ondulatoria, potremmo inviare un intenso impulso laser o un fascio di particelle relativistiche in un plasma o gas dove la densità varia periodicamente (sinusoidalmente) con la distanza”, spiega Viera. “Sono già disponibili diverse configurazioni per creare tali profili in laboratorio (ad esempio, utilizzando il modello di interferenza tra due impulsi laser ionizzanti, che ionizzano il plasma solo nelle regioni di interferenza costruttiva).

“Un impatto enorme”

Se costruite e dimostrate in laboratorio, le sorgenti luminose compatte basate su quasiparticelle potrebbero portare scienza e applicazioni che attualmente sono possibili solo in pochi posti in tutto il mondo (come al LCLS), dice Viera. “Le fonti luminose hanno un enorme impatto sulle nostre vite, dalla scienza e tecnologia alle applicazioni quotidiane. Ad esempio, svolgono un ruolo cruciale nell’imaging non distruttivo (come la scansione dei virus o il controllo della qualità dei prodotti), nella comprensione dei processi biologici (come la fotosintesi), nella produzione di chip per computer e nell’esplorazione del comportamento della materia nei pianeti e nelle stelle”.

I ricercatori stanno ora studiando i modi per far irradiare le quasiparticelle ad altre lunghezze d'onda dello spettro elettromagnetico. I raggi X, ad esempio, hanno lunghezze d’onda di circa 1 nm e sarebbero particolarmente utili.

"Stiamo anche cercando di dimostrare sperimentalmente il nostro concetto", afferma Malaca. “Pur essendo un’innovazione concettuale per il momento, crediamo che l’approccio delle quasiparticelle sia abbastanza semplice da poter essere provato in dozzine o addirittura centinaia di laboratori in tutto il mondo”.

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