Wetenschappers stellen een superheldere lichtbron voor, aangedreven door quasideeltjes – Physics World

Wetenschappers stellen een superheldere lichtbron voor, aangedreven door quasideeltjes – Physics World

Tijdstempel: 11 december 2023 8:46 uur

Een simulatie van een krachtige en heldere laserbron, gemaakt met behulp van een verzameling van vele elektronen die samen bewegen als een enkel gigantisch deeltje, of quasideeltje
Wetenschappers hebben de unieke eigenschappen van quasideeltjes in plasma's bestudeerd door geavanceerde computersimulaties uit te voeren op supercomputers die beschikbaar zijn via de European High-Performance Computing Joint Undertaking. Ze stellen voor om quasideeltjes te gebruiken om lichtbronnen te creëren die net zo krachtig zijn als de meest geavanceerde die er vandaag de dag bestaan, maar dan veel kleiner. (Met dank aan: B Malaca)

Een voorgestelde nieuwe lichtbron op basis van plasmaversnellers zou het mogelijk kunnen maken superheldere bronnen te ontwikkelen die even krachtig zijn als de meest geavanceerde vrije-elektronenlasers, maar veel kleiner. Als het ontwerp van een internationaal consortium van onderzoekers experimenteel wordt gedemonstreerd, kan het worden ingezet voor een verscheidenheid aan toepassingen, waaronder niet-destructieve beeldvorming en de productie van computerchips.

Coherente lichtbronnen zoals vrije-elektronenlasers worden routinematig gebruikt in academisch onderzoek, waar ze worden gebruikt om de structuur van biomoleculen, de dynamiek van chemische reacties en andere puzzels in de natuurkunde, scheikunde en materiaalkunde te bestuderen. Het probleem is dat ze enorm zijn: de krachtigste, de Linac Coherent Light Source van Stanford University, is drie kilometer lang en wordt aangedreven door de Stanford Linear Accelerator (SLAC). Door ze te verkleinen zouden ze binnen het bereik komen van kleinere instellingen zoals universiteiten, ziekenhuizen en industriële laboratoria.

Een ‘Mexicaanse golf’ voor elektronen

Onderzoekers geleid door Jorge Vieira van de Instituto Superior Tecnico (IST) in Portugal, samen met Johannes Palastro van de University of RochesterDe VS denken dat ze een manier hebben gevonden om precies dat te doen. Hun ontwerp, dat ze samen met collega's van de University of California, Los Angeles en Laboratoire d'Optique Applicatie in Frankrijk roept op tot de creatie van een krachtige en heldere laserbron met behulp van een verzameling van vele elektronen die samen bewegen als een enkel gigantisch deeltje, of quasideeltje. "Om je voor te stellen wat we hiermee bedoelen, denk aan Mexicaanse golven, die door de arena lijken te gaan, ook al blijft elke deelnemende persoon op zijn plaats", legt hij uit. Bernardo Malaca, een promovendus bij IST en eerste auteur van een onderzoek naar het ontwerp gepubliceerd in Natuur Fotonica. “Een dergelijke collectieve dynamiek van geladen deeltjes vormt de kern van de plasmafysica.”

Net zoals een Mexicaanse golf in principe sneller kan reizen dan de individuele mensen in de menigte (op voorwaarde dat ze allemaal samenwerken), zegt Malaca dat hetzelfde kan gebeuren met elektronen. In dat geval zouden de gevolgen echter veel diepgaander zijn: "Mexicaanse elektronengolven zouden sneller kunnen reizen dan de snelheid van het licht, ook al is er lokaal geen enkel elektron dat sneller is dan het licht", legt hij uit.

Wanneer dat gebeurt, voegt Malaca eraan toe, zullen de collectieve elektronengolven uitstralen alsof ze één enkel superluminaal elektron zijn. “De collectieve elektronenstraling kan worden voorgesteld alsof deze afkomstig is van één enkel deeltje, waardoor de mogelijkheid ontstaat om een ​​tot nu toe onvoorstelbare klasse van tijdelijk coherente bronnen te creëren”, vertelt hij. Natuurkunde wereld.

Een quasideeltjesversie van het Cherenkov-effect

In het nieuwe werk hebben de onderzoekers, die werden ondersteund door de European High-Performance Computing Joint Undertaking, gebruikte simulaties op supercomputers om de eigenschappen van quasideeltjes in plasma te bestuderen. Deze simulaties toonden aan dat de straling van een quasideeltje inderdaad fundamenteel niet te onderscheiden is van de straling die wordt geproduceerd door een enkel deeltje van eindige grootte.

Het Portugal-VS-Frankrijk-team beschrijft ook de fysica van een quasideeltjesversie van het Cherenkov-effect. Tsjerenkovstraling treedt op wanneer geladen deeltjes zich door een medium voortplanten met een snelheid die hoger is dan de lichtsnelheid in dat medium. Volgens de speciale relativiteitstheorie van Einstein kan dit effect niet plaatsvinden in een vacuüm, waar de snelheid van het licht vaststaat op iets minder dan 300 km/s. Deze limiet geldt echter niet voor quasideeltjes, die met elke snelheid kunnen reizen, inclusief superluminale deeltjes. “De quasideeltjes kunnen bewegen op een manier die niet zou zijn toegestaan ​​door de wetten van de natuurkunde die individuele deeltjes beheersen”, legt Palastro uit. “Het is deze absolute vrijheid om het quasideeltjestraject te controleren dat de sleutel kan vormen tot een nieuwe klasse van krachtige maar toch compacte lichtbronnen.”

Viera voegt eraan toe dat quasideeltjes de straling van 10 constructief kunnen combineren10 elektronen. Dit, zo merkt hij op, gaat “over de lading van een elektronenbundel bij SLAC”.

Eén manier om van quasideeltjes een echte lichtbron te maken, is door een intense laserpuls of een relativistische deeltjesbundel in een plasma of gas te sturen, waar de dichtheid met de afstand toeneemt, voegt hij eraan toe. Deze configuratie staat bekend als een oplopende dichtheid en is standaard in op plasma gebaseerde versnellers. Deze gebruiken echter meestal een constant dichtheidsprofiel. De nieuwe opstelling zou een superluminaal quasideeltje creëren dat zou leiden tot quasideeltjes-Tsjerenkov-emissie.

“Om een ​​golvend quasideeltje te creëren, dat tot golvende straling leidt, zouden we een intense laserpuls of een relativistische deeltjesbundel naar een plasma of gas kunnen sturen, waar de dichtheid periodiek (sinusoïdaal) varieert met de afstand”, legt Viera uit. “Er zijn al verschillende configuraties beschikbaar om dergelijke profielen in het laboratorium te creëren (bijvoorbeeld door gebruik te maken van het interferentiepatroon tussen twee ioniserende laserpulsen, die het plasma alleen ioniseren in gebieden met constructieve interferentie).

“Een enorme impact”

Als ze in het laboratorium worden gebouwd en gedemonstreerd, kunnen compacte lichtbronnen op basis van quasideeltjes wetenschap en toepassingen opleveren die momenteel alleen op een paar plaatsen in de wereld mogelijk zijn (zoals bij de LCLS), zegt Viera. “Lichtbronnen hebben een enorme impact op ons leven, van wetenschap en technologie tot alledaagse toepassingen. Ze spelen bijvoorbeeld een cruciale rol bij niet-destructieve beeldvorming (zoals het scannen op virussen of het controleren van de productkwaliteit), het begrijpen van biologische processen (zoals fotosynthese), het vervaardigen van computerchips en het onderzoeken van het gedrag van materie in planeten en sterren.”

De onderzoekers onderzoeken nu manieren om quasideeltjes op andere golflengten van het elektromagnetische spectrum te laten stralen. Röntgenstralen hebben bijvoorbeeld een golflengte van ongeveer 1 nm en zouden bijzonder nuttig zijn.

“We proberen ons concept ook experimenteel te demonstreren”, zegt Malaca. “Hoewel het op dit moment een conceptuele innovatie is, geloven wij dat de quasideeltjesbenadering eenvoudig genoeg is om in tientallen of zelfs honderden laboratoria over de hele wereld te worden uitgeprobeerd.”

Tijdstempel:

Meer van Natuurkunde wereld