מדענים מציעים מקור אור בהיר במיוחד המופעל על ידי קוואזי-חלקיקים - עולם הפיזיקה

מקור אור חדש מוצע המבוסס על מאיצי פלזמה יכול לאפשר לפתח מקורות סופר-בהירים חזקים כמו הלייזרים המתקדמים ביותר עם האלקטרונים החופשיים - אבל הרבה יותר קטנים. אם יודגם בניסוי, התכנון שהועלה על ידי קונסורציום בינלאומי של חוקרים עשוי להינצל למגוון יישומים, כולל הדמיה לא הרסנית וייצור שבבי מחשב.

מקורות אור קוהרנטיים כגון לייזרים אלקטרונים חופשיים משמשים באופן שגרתי במחקר אקדמי, שם הם משמשים לחקר המבנה של ביומולקולות, דינמיקה של תגובות כימיות וחידות אחרות בפיזיקה, כימיה ומדעי החומרים. הבעיה היא שהם ענקיים: החזק ביותר, מקור האור הקוהרנטי Linac של אוניברסיטת סטנפורד, אורכו שלושה קילומטרים ומונע על ידי המאיץ הליניארי של סטנפורד (SLAC). הקטנתם תביא אותם להישג ידם של מוסדות קטנים יותר כמו אוניברסיטאות, בתי חולים ומעבדות תעשייתיות.

"גל מקסיקני" לאלקטרונים

חוקרים בראשות חורחה ויירה של Instituto Superior Técnico (IST) בפורטוגל, יחד עם ג'ון פאלאסטרו של אוניברסיטת רוצ'סטר, ארה"ב, חושבים שהם מצאו דרך לעשות בדיוק את זה. העיצוב שלהם, אותו פיתחו עם עמיתים ב- אוניברסיטת קליפורניה, לוס אנג'לס ו Laboratoire d'Optique Appliquée בצרפת, קוראים ליצור מקור לייזר חזק ובהיר באמצעות אוסף של אלקטרונים רבים הנעים יחד כמו חלקיק ענק בודד, או קוואזי-חלקיק. "כדי לדמיין למה אנחנו מתכוונים בזה, חשבו על גלים מקסיקניים, שנראים מסתובבים בזירה, למרות שכל אדם משתתף נשאר במקום", מסביר ברנרדו מלאקה, סטודנט לדוקטורט ב-IST ומחבר ראשון של מחקר על העיצוב שפורסם ב Nature Photonics. "דינמיקת חלקיקים טעונים קולקטיבית כזו היא לב ליבה של פיזיקת הפלזמה."

בדיוק כפי שגל מקסיקני יכול, באופן עקרוני, לנוע מהר יותר מבני האדם הפרטיים בקהל (בתנאי שכולם עובדים יחד), מלאקה אומר שאותו דבר יכול לקרות עם אלקטרונים. במקרה כזה, עם זאת, ההשלכות יהיו הרבה יותר עמוקות: "גלי אלקטרונים מקסיקניים יכולים לנוע מהר יותר ממהירות האור, למרות שאין אלקטרון אחד מקומי מהיר יותר מהאור", הוא מסביר.

כשזה קורה, מוסיף מלאקה, גלי האלקטרונים הקולקטיביים היו מקרינים כאילו היו אלקטרון סופר-לומינלי יחיד. "ניתן לתאר את קרינת האלקטרונים הקולקטיבית כאילו היא מקורה מחלקיק בודד, מה שמעלה את האפשרות ליצור מחלקה בלתי נתפסת עד כה של מקורות קוהרנטיים זמנית", הוא אומר. עולם הפיזיקה.

גרסה כמו-חלקיקים של אפקט צ'רנקוב

בעבודה החדשה, החוקרים, שנתמכו על ידי ה מחשוב בעל ביצועים גבוהים באירופה, השתמשו בסימולציות על מחשבי-על כדי לחקור את התכונות של קוואזי-חלקיקים בפלזמה. סימולציות אלו הראו כי קרינה מקוזי-חלקיק אכן אינה ניתנת להבדלה ביסודה מזו המופקת על ידי חלקיק יחיד בגודל סופי.

צוות פורטוגל-ארה"ב-צרפת גם מתאר את הפיזיקה של גרסה קוואזי-חלקיקית של אפקט צ'רנקוב. קרינת צ'רנקוב מתרחשת כאשר חלקיקים טעונים מתפשטים דרך תווך במהירות שהיא מהירה יותר ממהירות האור באותו תווך. על פי תורת היחסות המיוחדת של איינשטיין, השפעה זו אינה יכולה להתרחש בוואקום, שבו מהירות האור קבועה לקצת פחות מ-300 קמ"ש. מגבלה זו אינה חלה על קוואזי-חלקיקים, עם זאת, שיכולים לנוע בכל מהירות, כולל על-לומינליים. "הקוואזי-חלקיקים יכולים לנוע בדרכים שלא יתירו על ידי חוקי הפיזיקה השולטים בחלקיקים בודדים", מסביר פאלאסטרו. "החופש המוחלט הזה לשלוט במסלול הקוואזי-חלקיקים הוא שעשוי להחזיק את המפתח למעמד חדש של מקורות אור חזקים אך קומפקטיים."

Viera מוסיף כי קוואזי-חלקיקים עשויים לשלב באופן קונסטרוקטיבי את הקרינה מ-10¹⁰ אלקטרונים. זה, הוא מציין, הוא "על המטען של חבורת אלקטרונים ב-SLAC".

אחת הדרכים ליצור מקור אור בעולם האמיתי מקואזי-חלקיקים תהיה לשלוח דופק לייזר אינטנסיבי או חבורה של חלקיקים רלטיביסטיים לתוך פלזמה או גז שבהם הצפיפות עולה עם המרחק, הוא מוסיף. תצורה זו ידועה כצפיפות מעלה רמפה והיא סטנדרטית במאיצים מבוססי פלזמה. עם זאת, אלה משתמשים בדרך כלל בפרופיל צפיפות קבוע. המערך החדש ייצור קוואזי-חלקיק על-לומינלי המוביל לפליטת קוואזי-חלקיקים-צ'רנקוב.

"כדי ליצור קוואזי-חלקיק גלי, המוביל לקרינה גלית, נוכל לשלוח דופק לייזר אינטנסיבי או חבורה של חלקיקים רלטיביים לתוך פלזמה או גז שבהם הצפיפות משתנה מעת לעת (סינוסואידית) עם המרחק", מסביר Viera. "כבר קיימות תצורות שונות ליצירת פרופילים כאלה במעבדה (לדוגמה, שימוש בדפוס ההפרעות בין שני פולסי לייזר מייננים, המייננים את הפלזמה רק באזורים של הפרעות בונה).

"השפעה עצומה"

אם ייבנו ויוצגו במעבדה, מקורות אור קומפקטיים המבוססים על קוואזי-חלקיקים יכולים להביא מדע ויישומים שמתאפשרים כרגע רק במקומות בודדים ברחבי העולם (כמו ב-LCLS), אומר Viera. "למקורות האור יש השפעה עצומה על חיינו, ממדע וטכנולוגיה ועד ליישומים יומיומיים. לדוגמה, הם ממלאים תפקיד מכריע בהדמיה לא הרסנית (כמו סריקה לאיתור וירוסים או בדיקת איכות המוצר), הבנת תהליכים ביולוגיים (כמו פוטוסינתזה), ייצור שבבי מחשב וחקר התנהגות החומר בכוכבי לכת וכוכבים".

מאיץ חלקיקים חדש מונע על ידי קרני לייזר מעוקלות

החוקרים חוקרים כעת דרכים לגרום לקוואזי-חלקיקים להקרין באורכי גל אחרים של הספקטרום האלקטרומגנטי. לקרני רנטגן, למשל, יש אורכי גל של כ-1 ננומטר, והן יהיו שימושיות במיוחד.

"אנחנו גם מנסים להדגים באופן ניסיוני את הרעיון שלנו", אומר מלאקה. "למרות שאנחנו חידוש קונספטואלי כרגע, אנחנו מאמינים שגישת הקוואזי-חלקיקים היא פשוטה מספיק כדי לנסות אותה בעשרות או אפילו מאות מעבדות ברחבי העולם."

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. העצים את עצמך. גישה כאן.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. הידע מוגבר. גישה כאן.
• PlatoESG. פחמן, קלינטק, אנרגיה, סביבה, שמש, ניהול פסולת. גישה כאן.
• PlatoHealth. מודיעין ביוטכנולוגיה וניסויים קליניים. גישה כאן.
• מקור: https://physicsworld.com/a/scientists-propose-super-bright-light-source-powered-by-quasiparticles/