과학자들은 준입자로 구동되는 초고휘도 광원을 제안합니다.

과학자들은 준입자로 구동되는 초고휘도 광원을 제안합니다.

타임 스탬프 : 11 년 2023 월 8 일 오전 46:XNUMX

하나의 거대 입자 또는 준입자처럼 함께 움직이는 많은 전자 집합을 사용하여 생성된 강력하고 밝은 레이저 소스의 시뮬레이션
과학자들은 유럽 고성능 컴퓨팅 공동 사업(European High-Performance Computing Joint Undertake)을 통해 사용할 수 있는 슈퍼컴퓨터에서 고급 컴퓨터 시뮬레이션을 실행하여 플라즈마 내 준입자의 고유한 특성을 연구했습니다. 그들은 준입자를 사용하여 오늘날 존재하는 가장 진보된 광원만큼 강력하지만 훨씬 작은 광원을 만들 것을 제안합니다. (제공: B 말라카)

플라즈마 가속기를 기반으로 제안된 새로운 광원을 사용하면 가장 발전된 자유 전자 레이저만큼 강력하면서도 훨씬 작은 초고휘도 광원을 개발할 수 있습니다. 실험적으로 입증된다면, 국제 연구자 컨소시엄이 제시한 디자인은 비파괴 이미징 및 컴퓨터 칩 제조를 포함한 다양한 응용 분야에 활용될 수 있습니다.

자유 전자 레이저와 같은 간섭성 광원은 학술 연구에서 일상적으로 사용되며, 생체 분자의 구조, 화학 반응의 역학 및 물리학, 화학 및 재료 과학의 기타 퍼즐을 연구하는 데 사용됩니다. 문제는 그 크기가 크다는 것입니다. 가장 강력한 스탠포드 대학의 Linac Coherent Light Source는 길이가 XNUMXkm이고 SLAC(Stanford Linear Accelerator)에 의해 구동됩니다. 규모를 축소하면 대학, 병원, 산업 연구소와 같은 소규모 기관에서도 사용할 수 있게 됩니다.

전자를 위한 "멕시코 파동"

연구원 주도 호르헤 비에이라 의 Instituto Superior Técnico(IST) 포르투갈에서는 함께 존 팔라스트로 의 로체스터 대학, 미국은 그들이 그렇게 하는 방법을 찾았다고 생각합니다. 동료들과 함께 개발한 그들의 디자인은 캘리포니아 대학, 로스 앤젤레스 그리고 Laboratoire d'Optique 아플리케 프랑스에서는 단일 거대 입자 또는 준입자처럼 함께 움직이는 많은 전자 집합을 사용하여 강력하고 밝은 레이저 소스를 생성할 것을 요구합니다. “이것이 의미하는 바를 이해하려면, 참가자 각자가 가만히 있는데도 경기장을 휘젓는 것처럼 보이는 멕시코의 파도를 생각해 보십시오.”라고 설명합니다. 베르나르도 말라카, IST 박사과정 학생이자 자연 Photonics. "이러한 집단적 하전 입자 역학은 플라즈마 물리학의 핵심입니다."

원칙적으로 멕시코 파동이 군중 속에 있는 개별 인간보다 더 빠르게 이동할 수 있는 것처럼(모두가 함께 일할 경우), 말라카는 전자에서도 같은 일이 일어날 수 있다고 말합니다. 그러나 이 경우 그 결과는 훨씬 더 심오할 것입니다. “빛보다 빠른 전자가 국부적으로 존재하지 않더라도 멕시코의 전자 파동은 빛의 속도보다 빠르게 이동할 수 있습니다.”라고 그는 설명합니다.

그런 일이 발생하면 집단 전자 파동은 마치 단일 초광속 전자인 것처럼 방출될 것이라고 Malaca는 덧붙였습니다. "집합적인 전자 복사는 마치 단일 입자에서 유래한 것처럼 묘사될 수 있으며, 이는 지금까지 상상하지 못했던 종류의 시간적으로 일관성 있는 소스를 생성할 가능성을 높입니다."라고 그는 말합니다. 물리학 세계.

체렌코프 효과의 준입자 버전

새로운 연구에서는, 연구진의 지원을 받아 유럽의 고성능 컴퓨팅 공동 사업, 플라즈마의 준입자 특성을 연구하기 위해 슈퍼컴퓨터에서 시뮬레이션을 사용했습니다. 이러한 시뮬레이션은 준입자로부터의 방사선이 실제로 단일 유한 크기 입자에 의해 생성된 방사선과 근본적으로 구별할 수 없음을 보여주었습니다.

포르투갈-미국-프랑스 팀은 또한 체렌코프 효과의 준입자 버전의 물리학을 설명합니다. 체렌코프 복사는 하전 입자가 매질 내 빛의 속도보다 빠른 속도로 매질을 통해 전파될 때 발생합니다. 아인슈타인의 특수 상대성 이론에 따르면, 이 효과는 빛의 속도가 300km/s 바로 아래로 고정되는 진공에서는 발생할 수 없습니다. 그러나 이 제한은 초광속 입자를 포함하여 모든 속도로 이동할 수 있는 준입자에는 적용되지 않습니다. “준입자는 개별 입자를 지배하는 물리 법칙에 의해 허용되지 않는 방식으로 움직일 수 있습니다.”라고 Palastro는 설명합니다. "새로운 종류의 강력하면서도 컴팩트한 광원을 향한 열쇠를 쥐고 있는 것은 준입자 궤적을 제어할 수 있는 절대적인 자유입니다."

Viera는 준입자가 10에서 나오는 방사선을 건설적으로 결합할 수 있다고 덧붙였습니다.10 전자. 그는 이것이 "SLAC의 전자 다발의 전하에 관한 것"이라고 지적합니다.

준입자로 실제 광원을 만드는 한 가지 방법은 거리에 따라 밀도가 증가하는 플라즈마나 가스에 강렬한 레이저 펄스나 상대론적 입자 다발을 보내는 것이라고 그는 덧붙였습니다. 이 구성은 밀도 증가 램프로 알려져 있으며 플라즈마 기반 가속기의 표준입니다. 그러나 이들은 일반적으로 일정한 밀도 프로파일을 사용합니다. 새로운 설정은 준입자-체렌코프 방출로 이어지는 초광속 준입자를 생성할 것입니다.

Viera는 "기복이 심한 방사선을 생성하는 기복이 있는 준입자를 생성하기 위해 밀도가 거리에 따라 주기적으로(사현파형으로) 변하는 플라즈마나 가스에 강렬한 레이저 펄스 또는 상대론적 입자 다발을 보낼 수 있습니다."라고 설명합니다. “실험실에서 이러한 프로파일을 생성하기 위해 이미 다양한 구성을 사용할 수 있습니다(예를 들어 보강 간섭 영역에서만 플라즈마를 이온화하는 두 개의 이온화 레이저 펄스 사이의 간섭 패턴을 사용하는 것).

“엄청난 영향”

실험실에서 제작하고 시연한다면 준입자를 기반으로 한 소형 광원은 현재 LCLS와 같이 전 세계 몇몇 곳에서만 가능한 과학 및 응용 분야를 가져올 수 있다고 Viera는 말합니다. “광원은 과학과 기술에서부터 일상적인 응용에 이르기까지 우리 삶에 막대한 영향을 미칩니다. 예를 들어, 비파괴 이미징(예: 바이러스 검색 또는 제품 품질 확인), 생물학적 과정(예: 광합성) ​​이해, 컴퓨터 칩 제조, 행성과 별의 물질 동작 탐구에서 중요한 역할을 합니다."

연구진은 현재 준입자가 전자기 스펙트럼의 다른 파장에서 방사되도록 만드는 방법을 조사하고 있습니다. 예를 들어 X선은 약 1nm의 파장을 가지며 특히 유용합니다.

“우리는 또한 우리의 개념을 실험적으로 입증하려고 노력하고 있습니다.”라고 Malaca는 말합니다. "현재로서는 개념적 혁신이지만 준입자 접근 방식은 전 세계 수십 또는 수백 개의 실험실에서 시험해 볼 수 있을 만큼 간단하다고 믿습니다."

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