Naukowcy proponują superjasne źródło światła zasilane kwazicząstkami – Świat Fizyki

Naukowcy proponują superjasne źródło światła zasilane kwazicząstkami – Świat Fizyki

Znacznik czasu: 11 grudnia 2023 8:46

Symulacja potężnego i jasnego źródła lasera utworzona przy użyciu zbioru wielu elektronów, które poruszają się razem jak pojedyncza gigantyczna cząstka lub kwazicząstka
Naukowcy badali unikalne właściwości kwazicząstek w plazmie, przeprowadzając zaawansowane symulacje komputerowe na superkomputerach dostępnych za pośrednictwem Europejskiego Wspólnego Przedsięwzięcia w dziedzinie Obliczeń Wielkiej Skali. Proponują wykorzystanie kwazicząstek do stworzenia źródeł światła tak potężnych, jak najbardziej zaawansowane istniejące obecnie, ale znacznie mniejszych. (Dzięki uprzejmości: B Malaca)

Proponowane nowe źródło światła oparte na akceleratorach plazmowych mogłoby umożliwić opracowanie superjasnych źródeł o mocy porównywalnej z najbardziej zaawansowanymi laserami na swobodnych elektronach, ale znacznie mniejszych. Jeśli zostanie to wykazane eksperymentalnie, projekt zaproponowany przez międzynarodowe konsorcjum naukowców będzie można wykorzystać do różnych zastosowań, w tym do nieniszczącego obrazowania i produkcji chipów komputerowych.

Źródła światła spójnego, takie jak lasery na swobodnych elektronach, są rutynowo wykorzystywane w badaniach akademickich, gdzie wykorzystuje się je do badania struktury biomolekuł, dynamiki reakcji chemicznych i innych zagadek z fizyki, chemii i materiałoznawstwa. Problem w tym, że są ogromne: najpotężniejsze, Linac Coherent Light Source działające na Uniwersytecie Stanforda, ma trzy kilometry długości i jest napędzane przez akcelerator liniowy Stanforda (SLAC). Zmniejszenie ich skali sprawiłoby, że byłyby dostępne dla mniejszych instytucji, takich jak uniwersytety, szpitale i laboratoria przemysłowe.

„Fala meksykańska” dla elektronów

Naukowcy prowadzeni przez Jorge Vieira ukończenia Instytut Superior Técnico (IST) w Portugalii wraz z Jana Palastro ukończenia University of Rochesterz USA, uważają, że znaleźli na to sposób. Ich projekt, który opracowali wspólnie z kolegami z firmy University of California, Los Angeles oraz Aplikacja Laboratoire d'Optique we Francji wzywa do stworzenia potężnego i jasnego źródła lasera przy użyciu zbioru wielu elektronów poruszających się razem jak pojedyncza gigantyczna cząstka, czyli kwazicząstka. „Aby zobrazować, co przez to rozumiemy, pomyślmy o falach meksykańskich, które wydają się krążyć po arenie, mimo że każda z uczestniczących osób pozostaje na miejscu” – wyjaśnia Bernardo Malaca, doktorant w IST i pierwszy autor opracowania na temat projektu opublikowanego w Nature Photonics. „Taka zbiorowa dynamika cząstek naładowanych leży u podstaw fizyki plazmy”.

Tak jak fala meksykańska może w zasadzie przemieszczać się szybciej niż pojedynczy ludzie w tłumie (pod warunkiem, że wszyscy będą współpracować), Malaca twierdzi, że to samo może się zdarzyć z elektronami. Jednak w takim przypadku konsekwencje byłyby znacznie głębsze: „Meksykańskie fale elektronowe mogłyby przemieszczać się szybciej niż prędkość światła, mimo że lokalnie nie ma ani jednego elektronu szybszego od światła” – wyjaśnia.

Kiedy tak się stanie, dodaje Malaca, zbiorcze fale elektronowe będą promieniować tak, jakby były pojedynczym superświetlnym elektronem. „Zbiorowe promieniowanie elektronów można sobie wyobrazić tak, jakby pochodziło z pojedynczej cząstki, co stwarza możliwość stworzenia niewyobrażalnej dotąd klasy czasowo spójnych źródeł” – mówi Fizyka Świat.

Kwasicząstkowa wersja efektu Czerenkowa

W nowej pracy naukowcy, wspierani przez Europejskie wspólne przedsięwzięcie obliczeniowe o wysokiej wydajności, wykorzystali symulacje na superkomputerach do badania właściwości kwazicząstek w plazmie. Symulacje te pokazały, że promieniowanie kwazicząstki jest rzeczywiście zasadniczo nie do odróżnienia od promieniowania wytwarzanego przez pojedynczą cząstkę o skończonych rozmiarach.

Zespół Portugalia-USA-Francja opisuje także fizykę kwazicząstkowej wersji efektu Czerenkowa. Promieniowanie Czerenkowa występuje, gdy naładowane cząstki rozprzestrzeniają się w ośrodku z prędkością większą niż prędkość światła w tym ośrodku. Według szczególnej teorii względności Einsteina efekt ten nie może zachodzić w próżni, gdzie prędkość światła jest ustalona na nieco poniżej 300 000 km/s. To ograniczenie nie dotyczy jednak kwazicząstek, które mogą poruszać się z dowolną prędkością, także nadświetlną. „Kwasicząstki mogą poruszać się w sposób, na który nie pozwalają prawa fizyki rządzące pojedynczymi cząstkami” – wyjaśnia Palastro. „To właśnie absolutna swoboda kontrolowania trajektorii kwazicząstek może okazać się kluczem do powstania nowej klasy potężnych, a jednocześnie kompaktowych źródeł światła”.

Viera dodaje, że kwazicząstki mogą konstruktywnie łączyć promieniowanie z 1010 elektrony. Odnosi się to, zauważa, „dotyczy ładunku wiązki elektronów w SLAC”.

Dodaje, że jednym ze sposobów stworzenia rzeczywistego źródła światła z kwazicząstek byłoby wysłanie intensywnego impulsu laserowego lub wiązki cząstek relatywistycznych do plazmy lub gazu, którego gęstość rośnie wraz z odległością. Konfiguracja ta nazywana jest rampą zwiększania gęstości i jest standardem w akceleratorach plazmowych. Te jednak zwykle wykorzystują profil stałej gęstości. Nowy układ stworzyłby nadświetlną kwazicząstkę, prowadzącą do emisji kwazicząstek-Czerenkowa.

„Aby stworzyć falującą kwazicząstkę prowadzącą do falowego promieniowania, moglibyśmy wysłać intensywny impuls laserowy lub wiązkę cząstek relatywistycznych do plazmy lub gazu, którego gęstość zmienia się okresowo (sinusoidalnie) wraz z odległością” – wyjaśnia Viera. „Dostępne są już różne konfiguracje umożliwiające tworzenie takich profili w laboratorium (na przykład wykorzystujące wzór interferencji pomiędzy dwoma jonizującymi impulsami lasera, które jonizują plazmę tylko w obszarach konstruktywnej interferencji).

„Ogromny wpływ”

Jeśli zostaną zbudowane i zademonstrowane w laboratorium, kompaktowe źródła światła oparte na kwazicząsteczkach mogą przynieść naukę i zastosowania, które są obecnie możliwe tylko w kilku miejscach na świecie (jak w LCLS), mówi Viera. „Źródła światła mają ogromny wpływ na nasze życie, od nauki i technologii po codzienne zastosowania. Odgrywają na przykład kluczową rolę w nieniszczącym obrazowaniu (takim jak skanowanie w poszukiwaniu wirusów lub sprawdzanie jakości produktu), zrozumieniu procesów biologicznych (takich jak fotosynteza), produkcji chipów komputerowych i badaniu zachowania materii na planetach i gwiazdach”.

Naukowcy badają obecnie sposoby spowodowania, aby kwazicząstki promieniowały na innych długościach fal widma elektromagnetycznego. Na przykład promieniowanie rentgenowskie ma długość fali około 1 nm i byłoby szczególnie przydatne.

„Próbujemy także eksperymentalnie zademonstrować naszą koncepcję” – mówi Malaca. „Chociaż w tej chwili jest to innowacja koncepcyjna, wierzymy, że podejście kwazicząstkowe jest na tyle proste, że można je wypróbować w dziesiątkach, a nawet setkach laboratoriów na całym świecie”.

Znak czasu:

Więcej z Świat Fizyki