科学者が準粒子を利用した超高輝度光源を提案 – Physics World

提案されているプラ​​ズマ加速器に基づく新しい光源により、最先端の自由電子レーザーと同じくらい強力でありながら、はるかに小型の超高輝度光源の開発が可能になる可能性があります。 実験的に実証されれば、国際研究者コンソーシアムが提案した設計は、非破壊イメージングやコンピューターチップの製造など、さまざまな用途に利用できる可能性がある。

自由電子レーザーなどのコヒーレント光源は学術研究で日常的に使用されており、生体分子の構造、化学反応のダイナミクス、物理学、化学、材料科学のその他のパズルを研究するために使用されます。 問題は、それらが巨大であることです。最も強力なスタンフォード大学のリニアック コヒーレント光源は長さ XNUMX キロメートルで、スタンフォード線形加速器 (SLAC) によって駆動されます。 規模を縮小すれば、大学、病院、産業研究所などの小規模な機関でも利用できるようになるでしょう。

電子の「メキシコの波」

主導の研究者 ホルヘ・ビエイラ 高技術研究所 (IST) ポルトガルでは一緒に ジョン・パラストロ ロチェスター大学、米国は、まさにそれを行う方法を見つけたと思います。 彼らが同僚と開発したデザインは、 カリフォルニア大学ロサンゼルス校 と オプティク研究所のアップリケ フランスでは、単一の巨大粒子または準粒子のように一緒に移動する多くの電子の集合体を使用して、強力で明るいレーザー源を作成することを求めています。 「これが何を意味するのかをイメージするには、参加者はそれぞれその場に留まっているにもかかわらず、アリーナを一周するように見えるメキシコの波を思い浮かべてください。」と彼は説明します。 ベルナルド・マラッカ、IST の博士課程の学生であり、XNUMX 年に出版されたデザインに関する研究の筆頭著者 Nature Photonicsの。 「このような集合的な荷電粒子のダイナミクスはプラズマ物理学の核心です。」

メキシコの波が原理的には群衆の中の個々の人間よりも速く伝わるのと同じように（全員が協力すれば）、同じことが電子でも起こり得るとマラカ氏は言う。 しかしその場合、影響はさらに深刻になるだろう。「局所的には光より速い電子が一つも存在しないにもかかわらず、メキシコの電子波は光速より速く伝わる可能性がある」と彼は説明する。

それが起こると、集合的な電子波はあたかも単一の超光速電子であるかのように放射されるだろうとマラカ氏は付け加えた。 「集団的な電子放射は、あたかも単一の粒子から発生しているかのように描写でき、これまで想像もできなかった種類の時間的にコヒーレントな放射線源を作り出す可能性が高まります」と彼は言う。 フィジックスワールド。

チェレンコフ効果の準粒子バージョン

新しい研究では、 ヨーロッパの高性能コンピューティング共同事業らは、スーパーコンピューター上のシミュレーションを使用して、プラズマ中の準粒子の特性を研究しました。 これらのシミュレーションは、準粒子からの放射が実際に、単一の有限サイズの粒子によって生成される放射と基本的に区別できないことを示しました。

ポルトガル、米国、フランスのチームは、チェレンコフ効果の準粒子バージョンの物理学についても説明しています。 チェレンコフ放射は、荷電粒子が媒体中を光速よりも速い速度で伝播するときに発生します。 アインシュタインの特殊相対性理論によると、光の速度が秒速 300 万キロメートル弱に固定されている真空中では、この効果は起こりません。 ただし、この制限は、超光速粒子を含む任意の速度で移動できる準粒子には適用されません。 「準粒子は、個々の粒子を支配する物理法則では許されないような動きをする可能性があります」とパラストロ氏は説明する。 「準粒子の軌道を制御するこの絶対的な自由こそが、新しいクラスの強力かつコンパクトな光源への鍵を握る可能性があります。」

ビエラ氏は、準粒子は10からの放射線を建設的に組み合わせる可能性があると付け加えた。¹⁰ 電子。 これは「SLACにおける電子束の電荷に関するもの」だと彼は指摘する。

準粒子から現実世界の光源を作る方法のXNUMXつは、強力なレーザーパルスまたは相対論的粒子の束をプラズマまたはガスの中に送り込み、そこで密度が距離とともに上昇するというものだと彼は付け加えた。 この構成は密度上昇ランプとして知られており、プラズマベースの加速器では標準です。 ただし、これらは通常、一定の密度プロファイルを使用します。 新しいセットアップは、準粒子チェレンコフ放出につながる超光速準粒子を生成します。

「波状放射をもたらす波状準粒子を作成するには、距離に応じて密度が周期的（正弦波状）に変化するプラズマまたはガスに、強力なレーザーパルスまたは相対論的粒子束を送り込むことができます」とビエラ氏は説明します。 「研究室でそのようなプロファイルを作成するためのさまざまな構成がすでに利用可能です（たとえば、強め合う干渉の領域でのみプラズマをイオン化するXNUMXつのイオン化レーザーパルス間の干渉パターンを使用します）。

「多大な影響」

実験室で構築され実証されれば、準粒子に基づくコンパクトな光源は、現在世界中の少数の場所（LCLSなど）でのみ可能である科学と応用をもたらす可能性がある、とビエラ氏は言う。 「光源は、科学や技術から日常の用途に至るまで、私たちの生活に多大な影響を与えます。 たとえば、非破壊イメージング (ウイルスのスキャンや製品品質のチェックなど)、生物学的プロセスの理解 (光合成など)、コンピューター チップの製造、惑星や星における物質の挙動の調査などにおいて、重要な役割を果たしています。」

新しい粒子加速器は湾曲したレーザービームによって駆動される

研究者らは現在、準粒子を電磁スペクトルの他の波長で放射させる方法を研究している。 たとえば、X 線の波長は約 1 nm であり、特に有用です。

「私たちはまた、私たちのコンセプトを実験的に実証しようとしています」とマラカ氏は言います。 「現時点では概念的な革新ではありますが、準粒子アプローチは世界中の数十、さらには数百の研究室で試すことができるほど簡単であると私たちは信じています。」

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• 情報源： https://physicsworld.com/a/scientists-propose-super-bright-light-source-powered-by-quasiparticles/