Ученые предложили сверхъяркий источник света на основе квазичастиц

Ученые предложили сверхъяркий источник света на основе квазичастиц

Отметка времени: 11 декабря 2023 г., 8:46

Моделирование мощного и яркого лазерного источника, созданного с использованием множества электронов, которые движутся вместе, как одна гигантская частица или квазичастица.
Ученые изучили уникальные свойства квазичастиц в плазме, запустив передовое компьютерное моделирование на суперкомпьютерах, доступных в рамках Европейского совместного предприятия по высокопроизводительным вычислениям. Они предлагают использовать квазичастицы для создания источников света, столь же мощных, как самые совершенные из существующих сегодня, но гораздо меньших размеров. (Любезно предоставлено: Б. Малака)

Предлагаемый новый источник света на основе плазменных ускорителей может позволить разработать сверхяркие источники, столь же мощные, как самые современные лазеры на свободных электронах, но гораздо меньшие по размеру. В случае экспериментальной демонстрации конструкция, предложенная международным консорциумом исследователей, может быть использована для различных применений, включая неразрушающую визуализацию и производство компьютерных чипов.

Источники когерентного света, такие как лазеры на свободных электронах, обычно используются в академических исследованиях, где они используются для изучения структуры биомолекул, динамики химических реакций и других загадок физики, химии и материаловедения. Проблема в том, что они огромны: самый мощный из них — линейный источник когерентного света Стэнфордского университета — имеет длину три километра и приводится в движение Стэнфордским линейным ускорителем (SLAC). Их уменьшение сделает их доступными для более мелких учреждений, таких как университеты, больницы и промышленные лаборатории.

«Мексиканская волна» для электронов

Исследователи во главе с Хорхе Виейра Высший технический институт (IST) в Португалии вместе с Джон Паластро Университет РочестераСША думают, что нашли способ сделать именно это. Их дизайн, который они разработали вместе с коллегами из Университет Калифорнии, Лос-Анджелес и Лаборатория оптических аппликаций во Франции призывает к созданию мощного и яркого лазерного источника, использующего совокупность множества электронов, которые движутся вместе, как одна гигантская частица или квазичастица. «Чтобы представить, что мы имеем в виду, представьте себе мексиканские волны, которые, кажется, движутся по арене, хотя каждый участник остается на месте», — объясняет Бернардо Малака, аспирант IST и первый автор исследования дизайна, опубликованного в Nature Photonics. «Такая коллективная динамика заряженных частиц лежит в основе физики плазмы».

Точно так же, как мексиканская волна в принципе может двигаться быстрее, чем отдельные люди в толпе (при условии, что они все работают вместе), Малака говорит, что то же самое может произойти и с электронами. Однако в этом случае последствия были бы гораздо более глубокими: «Мексиканские электронные волны могут двигаться быстрее скорости света, даже несмотря на то, что локально нет ни одного электрона, который бы двигался быстрее света», — объясняет он.

Когда это произойдет, добавляет Малака, коллективные электронные волны будут излучаться так, как если бы они были одним сверхсветовым электроном. «Коллективное электронное излучение можно представить так, как если бы оно возникло из одной частицы, что открывает возможность создания до сих пор невообразимого класса когерентных во времени источников», — говорит он. Мир физики.

Квазичастичная версия эффекта Черенкова.

В новой работе исследователи, которых поддержали Совместное предприятие по высокопроизводительным вычислениям в Европе, использовал моделирование на суперкомпьютерах для изучения свойств квазичастиц в плазме. Эти симуляции показали, что излучение квазичастицы действительно принципиально неотличимо от излучения, производимого одной частицей конечного размера.

Команда Португалии-США-Франции также описывает физику квазичастичной версии эффекта Черенкова. Черенковское излучение возникает, когда заряженные частицы распространяются через среду со скоростью, превышающей скорость света в этой среде. Согласно специальной теории относительности Эйнштейна, этот эффект не может иметь место в вакууме, где скорость света зафиксирована на уровне чуть менее 300 000 км/с. Однако этот предел не распространяется на квазичастицы, которые могут двигаться с любой скоростью, включая сверхсветовую. «Квазичастицы могут двигаться способами, которые запрещены законами физики, управляющими отдельными частицами», — объясняет Паластро. «Именно эта абсолютная свобода управления траекторией квазичастиц может стать ключом к созданию нового класса мощных, но компактных источников света».

Виера добавляет, что квазичастицы могут конструктивно объединить излучение от 1010 электроны. Речь идет, отмечает он, «о заряде электронного сгустка в SLAC».

Один из способов создать реальный источник света из квазичастиц — послать интенсивный лазерный импульс или сгусток релятивистских частиц в плазму или газ, плотность которых возрастает с расстоянием, добавляет он. Эта конфигурация известна как линейное увеличение плотности и является стандартной для плазменных ускорителей. Однако они обычно используют профиль постоянной плотности. Новая установка позволит создать сверхсветовую квазичастицу, приводящую к квазичастично-черенковскому излучению.

«Чтобы создать волнообразную квазичастицу, приводящую к волнообразному излучению, мы могли бы послать интенсивный лазерный импульс или сгусток релятивистских частиц в плазму или газ, плотность которого периодически (синусоидально) меняется с расстоянием», — объясняет Виера. «Уже доступны различные конфигурации для создания таких профилей в лаборатории (например, с использованием интерференционной картины между двумя ионизирующими лазерными импульсами, которые ионизируют плазму только в областях конструктивной интерференции).

«Огромное влияние»

Если компактные источники света на основе квазичастиц будут созданы и продемонстрированы в лаборатории, они смогут принести пользу науке и приложениям, которые в настоящее время возможны лишь в нескольких местах по всему миру (например, в LCLS), говорит Виера. «Источники света оказывают огромное влияние на нашу жизнь, от науки и техники до повседневных применений. Например, они играют решающую роль в неразрушающей визуализации (например, сканировании на наличие вирусов или проверке качества продукции), понимании биологических процессов (например, фотосинтеза), производстве компьютерных чипов и изучении поведения материи на планетах и ​​звездах».

В настоящее время исследователи изучают способы заставить квазичастицы излучать на других длинах волн электромагнитного спектра. Рентгеновские лучи, например, имеют длину волны около 1 нм и могут быть особенно полезны.

«Мы также пытаемся экспериментально продемонстрировать нашу концепцию», — говорит Малака. «Несмотря на то, что на данный момент это концептуальная инновация, мы считаем, что подход квазичастиц достаточно прост, чтобы его можно было опробовать в десятках или даже сотнях лабораторий по всему миру».

Отметка времени:

Больше от Мир физики