Forskere foreslår en supersterk lyskilde drevet av kvasipartikler – Physics World

Forskere foreslår en supersterk lyskilde drevet av kvasipartikler – Physics World

Tidsstempel: 11. desember 2023 8:46

En simulering av en kraftig og lyssterk laserkilde laget ved hjelp av en samling av mange elektroner som beveger seg sammen som en enkelt gigantisk partikkel, eller kvasipartikkel
Forskere studerte de unike egenskapene til kvasipartikler i plasma ved å kjøre avanserte datasimuleringer på superdatamaskiner tilgjengelig gjennom European High-Performance Computing Joint Undertaking. De foreslår å bruke kvasipartikler for å lage lyskilder like kraftige som de mest avanserte som finnes i dag, men mye mindre. (Med tillatelse: B Malaca)

En foreslått ny lyskilde basert på plasmaakseleratorer kan gjøre det mulig å utvikle superlyse kilder like kraftige som de mest avanserte frielektronlaserne – men mye mindre. Hvis det demonstreres eksperimentelt, kan designen som er fremmet av et internasjonalt konsortium av forskere bli utnyttet til en rekke bruksområder, inkludert ikke-destruktiv bildebehandling og produksjon av databrikke.

Koherente lyskilder som frielektronlasere brukes rutinemessig i akademisk forskning, hvor de brukes til å studere strukturen til biomolekyler, dynamikken til kjemiske reaksjoner og andre gåter innen fysikk, kjemi og materialvitenskap. Problemet er at de er enorme: den kraftigste, Stanford Universitys Linac Coherent Light Source, er tre kilometer lang og drevet av Stanford Linear Accelerator (SLAC). Nedskalering vil bringe dem innen rekkevidde for mindre institusjoner som universiteter, sykehus og industrielle laboratorier.

En "meksikansk bølge" for elektroner

Forskere ledet av Jorge Vieira av Instituto Superior Técnico (IST) i Portugal, sammen med John Palastro av University of Rochester, USA, tror de har funnet en måte å gjøre nettopp det på. Designet deres, som de utviklet sammen med kolleger på University of California, Los Angeles og Laboratoire d'Optique Appliquée i Frankrike krever det at en kraftig og lyssterk laserkilde opprettes ved å bruke en samling av mange elektroner som beveger seg sammen som en enkelt gigantisk partikkel, eller kvasipartikkel. "For å forestille deg hva vi mener med dette, tenk på meksikanske bølger, som ser ut til å gå rundt arenaen, selv om hver deltakende person blir liggende," forklarer Bernardo Malaca, en doktorgradsstudent ved IST og førsteforfatter av en studie om designet publisert i Nature Photonics. "Slik kollektiv ladet partikkeldynamikk er kjernen i plasmafysikk."

Akkurat som en meksikansk bølge i prinsippet kan reise raskere enn de enkelte menneskene i mengden (forutsatt at de alle jobber sammen), sier Malaca at det samme kan skje med elektroner. I så fall ville imidlertid konsekvensene være mye mer dyptgripende: "Meksikanske elektronbølger kan bevege seg raskere enn lysets hastighet, selv om det ikke er et eneste elektron lokalt som er raskere enn lyset," forklarer han.

Når det skjer, legger Malaca til, ville de kollektive elektronbølgene stråle ut som om de var et enkelt superluminalt elektron. "Den kollektive elektronstrålingen kan avbildes som om den stammer fra en enkelt partikkel, noe som øker muligheten for å skape en hittil uante klasse av tidsmessig koherente kilder," forteller han Fysikkverden.

En kvasipartikkelversjon av Cherenkov-effekten

I det nye arbeidet har forskerne, som ble støttet av European Joint Undertaking, brukte simuleringer på superdatamaskiner for å studere egenskapene til kvasipartikler i plasma. Disse simuleringene viste at stråling fra en kvasipartikkel faktisk er fundamentalt umulig å skille fra den som produseres av en enkelt partikkel med begrenset størrelse.

Portugal-US-Frankrike-teamet beskriver også fysikken til en kvasipartikkelversjon av Cherenkov-effekten. Cherenkov-stråling oppstår når ladede partikler forplanter seg gjennom et medium med en hastighet som er høyere enn lysets hastighet i det mediet. I følge Einsteins spesielle relativitetsteori kan ikke denne effekten finne sted i vakuum, hvor lysets hastighet er fast på i underkant av 300 000 km/s. Denne grensen gjelder imidlertid ikke for kvasipartikler, som kan bevege seg med hvilken som helst hastighet, inkludert superluminale. "Kvasipartikler kan bevege seg på måter som ikke ville være tillatt av fysikkens lover som styrer individuelle partikler," forklarer Palastro. "Det er denne absolutte friheten til å kontrollere kvasipartikkelbanen som kan være nøkkelen til en ny klasse av kraftige, men kompakte lyskilder."

Viera legger til at kvasipartikler konstruktivt kan kombinere strålingen fra 1010 elektroner. Dette, bemerker han, handler "om ladningen til en elektrongruppe ved SLAC".

En måte å lage en virkelig lyskilde av kvasipartikler ville være å sende en intens laserpuls eller relativistisk partikkelsamling inn i et plasma eller en gass hvor tettheten stiger med avstanden, legger han til. Denne konfigurasjonen er kjent som en tetthetsopprampe og er standard i plasmabaserte akseleratorer. Disse bruker imidlertid vanligvis en konstant tetthetsprofil. Det nye oppsettet ville skape en superluminal kvasipartikkel som fører til kvasipartikkel-Cherenkov-utslipp.

"For å lage en bølgende kvasipartikkel, som fører til bølgende stråling, kan vi sende en intens laserpuls eller relativistisk partikkelsamling inn i et plasma eller en gass hvor tettheten varierer periodisk (sinusformet) med avstanden," forklarer Viera. "Ulike konfigurasjoner er allerede tilgjengelige for å lage slike profiler i laboratoriet (for eksempel ved å bruke interferensmønsteret mellom to ioniserende laserpulser, som ioniserer plasmaet bare i områder med konstruktiv interferens).

«En enorm innvirkning»

Hvis bygget og demonstrert i laboratoriet, kan kompakte lyskilder basert på kvasipartikler bringe vitenskap og applikasjoner som foreløpig bare er mulig noen få steder rundt om i verden (som ved LCLS), sier Viera. «Lyskilder har en enorm innvirkning på livene våre, fra vitenskap og teknologi til hverdagslige applikasjoner. For eksempel spiller de en avgjørende rolle i ikke-destruktiv bildebehandling (som skanning etter virus eller kontroll av produktkvalitet), forståelse av biologiske prosesser (som fotosyntese), produksjon av databrikker og utforsking av materiens oppførsel i planeter og stjerner.

Forskerne undersøker nå måter å få kvasipartikler til å stråle ved andre bølgelengder av det elektromagnetiske spekteret. Røntgenstråler har for eksempel bølgelengder på rundt 1 nm, og vil være spesielt nyttige.

"Vi prøver også å eksperimentelt demonstrere konseptet vårt," sier Malaca. "Selv om vi er en konseptuell innovasjon for øyeblikket, tror vi at kvasipartikkeltilnærmingen er enkel nok til å prøves ut i dusinvis eller til og med hundrevis av laboratorier rundt om i verden."

Tidstempel:

Mer fra Fysikkens verden