Oamenii de știință propun o sursă de lumină super-luminoasă alimentată de cvasiparticule – Physics World

Oamenii de știință propun o sursă de lumină super-luminoasă alimentată de cvasiparticule – Physics World

Marca temporală: 11 decembrie 2023, ora 8:46

O simulare a unei surse laser puternice și strălucitoare, creată folosind o colecție de mulți electroni care se mișcă împreună ca o singură particulă gigantică sau cvasiparticulă
Oamenii de știință au studiat proprietățile unice ale cvasiparticulelor din plasme prin rularea de simulări computerizate avansate pe supercalculatoare disponibile prin intermediul Întreprinderii Comune Europene de Calcul de Înaltă Performanță. Ei propun utilizarea cvasiparticulelor pentru a crea surse de lumină la fel de puternice ca cele mai avansate existente astăzi, dar mult mai mici. (Cu amabilitatea: B Malaca)

O nouă sursă de lumină propusă bazată pe acceleratoare cu plasmă ar putea face posibilă dezvoltarea unor surse super-luminoase la fel de puternice precum cele mai avansate lasere cu electroni liberi – dar mult mai mici. Dacă va fi demonstrat experimental, designul propus de un consorțiu internațional de cercetători ar putea fi valorificat pentru o varietate de aplicații, inclusiv imagistica nedistructivă și fabricarea de cipuri de computer.

Sursele de lumină coerente, cum ar fi laserele cu electroni liberi, sunt utilizate în mod obișnuit în cercetarea academică, unde sunt folosite pentru a studia structura biomoleculelor, dinamica reacțiilor chimice și alte puzzle-uri în fizică, chimie și știința materialelor. Problema este că sunt uriașe: cea mai puternică, Linac Coherent Light Source de la Universitatea Stanford, are trei kilometri lungime și este condusă de Acceleratorul Linear Stanford (SLAC). Reducerea lor le-ar aduce la îndemâna instituțiilor mai mici, cum ar fi universități, spitale și laboratoare industriale.

O „undă mexicană” pentru electroni

Cercetătorii conduși de Jorge Vieira a Institutul Superior Tecnico (IST) în Portugalia, împreună cu John Palastro a Universitatea din Rochester, SUA, cred că au găsit o modalitate de a face tocmai asta. Designul lor, pe care l-au dezvoltat împreună cu colegii de la Universitatea din California, Los Angeles si Laboratoire d'Optique Appliquée în Franța, solicită crearea unei surse laser puternice și strălucitoare folosind o colecție de mulți electroni care se mișcă împreună ca o singură particulă gigantică sau cvasiparticulă. „Pentru a vă imagina ce vrem să spunem prin asta, gândiți-vă la valurile mexicane, care par să se învârtă în jurul arenei, chiar dacă fiecare persoană participantă rămâne pe loc”, explică. Bernardo Malaca, doctorand la IST și primul autor al unui studiu despre design publicat în Natura Photonics. „O astfel de dinamică colectivă a particulelor încărcate este în centrul fizicii plasmei.”

Așa cum un val mexican poate, în principiu, să călătorească mai repede decât oamenii individuali din mulțime (cu condiția ca toți să lucreze împreună), Malaca spune că același lucru se poate întâmpla cu electronii. În acest caz, însă, consecințele ar fi mult mai profunde: „Undele electronice mexicane ar putea călători mai repede decât viteza luminii, chiar dacă nu există un singur electron la nivel local care să fie mai rapid decât lumina”, explică el.

Când se întâmplă asta, adaugă Malaca, undele colective de electroni ar radia ca și cum ar fi un singur electron super-luminal. „Radiația colectivă de electroni poate fi reprezentată ca și cum ar proveni dintr-o singură particulă, ridicând posibilitatea de a crea o clasă neimaginată până acum de surse coerente din punct de vedere temporal”, spune el. Lumea fizicii.

O versiune de cvasiparticule a efectului Cherenkov

În noua lucrare, cercetătorii, care au fost sprijiniți de Întreprinderea comună europeană de înaltă performanță, a folosit simulări pe supercalculatoare pentru a studia proprietățile cvasiparticulelor din plasmă. Aceste simulări au arătat că radiația de la o cvasiparticulă este într-adevăr imposibil de distins de cea produsă de o singură particulă de dimensiuni finite.

Echipa Portugalia-SUA-Franța descrie, de asemenea, fizica unei versiuni de cvasiparticule a efectului Cherenkov. Radiația Cherenkov apare atunci când particulele încărcate se propagă printr-un mediu cu o viteză mai mare decât viteza luminii în acel mediu. Conform teoriei relativității speciale a lui Einstein, acest efect nu poate avea loc în vid, unde viteza luminii este fixă ​​la puțin sub 300 000 km/s. Această limită nu se aplică însă cvasiparticulelor, care pot călători cu orice viteză, inclusiv cele superluminale. „Cvasiparticulele se pot mișca în moduri care ar fi interzise de legile fizicii care guvernează particulele individuale”, explică Palastro. „Această libertate absolută de a controla traiectoria cvasiparticulelor este cea care poate deține cheia către o nouă clasă de surse de lumină puternice, dar compacte.”

Viera adaugă că cvasiparticulele pot combina constructiv radiația de la 1010 electronii. Acesta, notează el, este „despre sarcina unui grup de electroni la SLAC”.

O modalitate de a face o sursă de lumină reală din cvasiparticule ar fi trimiterea unui impuls laser intens sau a unui grup de particule relativiste într-o plasmă sau un gaz unde densitatea crește odată cu distanța, adaugă el. Această configurație este cunoscută ca o rampă de densitate și este standard în acceleratoarele pe bază de plasmă. Acestea, totuși, folosesc de obicei un profil de densitate constantă. Noua configurație ar crea o cvasiparticulă superluminală care duce la emisia de cvasiparticule-Cherenkov.

„Pentru a crea o cvasiparticulă ondulată, care să conducă la radiații ondulatorii, am putea trimite un puls laser intens sau un mănunchi de particule relativiste într-o plasmă sau un gaz unde densitatea variază periodic (sinusoid) în funcție de distanță”, explică Viera. „Sunt deja disponibile diferite configurații pentru a crea astfel de profile în laborator (de exemplu, folosind modelul de interferență dintre două impulsuri laser ionizante, care ionizează plasma doar în regiunile de interferență constructivă).

„Un impact enorm”

Dacă sunt construite și demonstrate în laborator, sursele de lumină compacte bazate pe cvasiparticule ar putea aduce știință și aplicații care sunt în prezent posibile doar în câteva locuri din lume (ca la LCLS), spune Viera. „Sursele de lumină au un impact enorm asupra vieții noastre, de la știință și tehnologie până la aplicații de zi cu zi. De exemplu, ei joacă un rol crucial în imagistica nedistructivă (cum ar fi scanarea pentru viruși sau verificarea calității produselor), înțelegerea proceselor biologice (cum ar fi fotosinteza), fabricarea cipurilor de computer și explorarea comportamentului materiei în planete și stele.

Cercetătorii investighează acum modalități de a face cvasiparticulele să radieze la alte lungimi de undă ale spectrului electromagnetic. Razele X, de exemplu, au lungimi de undă de aproximativ 1 nm și ar fi deosebit de utile.

„De asemenea, încercăm să demonstrăm experimental conceptul nostru”, spune Malaca. „Deși suntem o inovație conceptuală pentru moment, credem că abordarea cvasiparticulelor este suficient de simplă pentru a fi încercată în zeci sau chiar sute de laboratoare din întreaga lume.”

Timestamp-ul:

Mai mult de la Lumea fizicii