Znanstveniki predlagajo super svetel vir svetlobe, ki ga poganjajo kvazidelci – Physics World

Znanstveniki predlagajo super svetel vir svetlobe, ki ga poganjajo kvazidelci – Physics World

Časovni žig: 11. december 2023 8:46

Simulacija močnega in svetlega laserskega vira, ustvarjenega z uporabo zbirke številnih elektronov, ki se premikajo skupaj kot en sam ogromen delec ali kvazidelec
Znanstveniki so proučevali edinstvene lastnosti kvazidelcev v plazmi z izvajanjem naprednih računalniških simulacij na superračunalnikih, ki so na voljo prek Evropskega skupnega podjetja za visokozmogljivo računalništvo. Predlagajo uporabo kvazidelcev za ustvarjanje svetlobnih virov, ki so tako zmogljivi kot najnaprednejši, ki obstajajo danes, vendar veliko manjši. (Z dovoljenjem: B Malaca)

Predlagani nov svetlobni vir, ki temelji na plazemskih pospeševalnikih, bi lahko omogočil razvoj super svetlih virov, ki so tako zmogljivi kot najnaprednejši laserji s prostimi elektroni – vendar veliko manjši. Če bi eksperimentalno dokazali, bi lahko načrt, ki ga je predlagal mednarodni konzorcij raziskovalcev, uporabili za različne aplikacije, vključno z nedestruktivnim slikanjem in proizvodnjo računalniških čipov.

Koherentni viri svetlobe, kot so laserji s prostimi elektroni, se redno uporabljajo v akademskih raziskavah, kjer se uporabljajo za preučevanje strukture biomolekul, dinamike kemijskih reakcij in drugih ugank v fiziki, kemiji in znanosti o materialih. Težava je v tem, da so ogromni: najmočnejši, Linac Coherent Light Source univerze Stanford, je dolg tri kilometre in ga poganja Stanford Linear Accelerator (SLAC). Če bi jih zmanjšali, bi dosegli manjše ustanove, kot so univerze, bolnišnice in industrijski laboratoriji.

"Mehiški val" za elektrone

Raziskovalci pod vodstvom Jorge Vieira od Instituto Superior Técnico (IST) na Portugalskem, skupaj z Janez Palastro od University of Rochester, ZDA, menijo, da so našli način za to. Njihov dizajn, ki so ga razvili s sodelavci na Kalifornijska univerza v Los Angelesu in Laboratoire d'Optique Appliquée v Franciji poziva k ustvarjanju močnega in svetlega laserskega vira z uporabo zbirke številnih elektronov, ki se gibljejo skupaj kot en sam ogromen delec ali kvazidelec. »Če želite predstavljati, kaj mislimo s tem, pomislite na mehiške valove, za katere se zdi, da krožijo okoli arene, čeprav vsaka sodelujoča oseba ostane na mestu,« pojasnjuje Bernardo Malaca, doktorski študent na IST in prvi avtor študije o oblikovanju, objavljene v Narava fotonika. "Takšna kolektivna dinamika nabitih delcev je v središču fizike plazme."

Tako kot lahko mehiški val načeloma potuje hitreje kot posamezni ljudje v množici (pod pogojem, da vsi delajo skupaj), Malaca pravi, da se lahko isto zgodi z elektroni. V tem primeru pa bi bile posledice veliko globlje: "Mehiški elektronski valovi bi lahko potovali hitreje od svetlobne hitrosti, čeprav lokalno ni niti enega elektrona, ki bi bil hitrejši od svetlobe," pojasnjuje.

Ko se to zgodi, dodaja Malaca, bi kolektivni elektronski valovi sevali, kot da bi bili en sam super-luminalni elektron. "Kolektivno elektronsko sevanje si lahko predstavljamo, kot da izvira iz enega samega delca, kar povečuje možnost ustvarjanja doslej nepredstavljivega razreda časovno koherentnih virov," pravi. Svet fizike.

Kvazidelčna različica Čerenkovega učinka

V novem delu so raziskovalci, ki so bili podprti s Evropsko skupno podjetje za visoko računalništvo, je uporabil simulacije na superračunalnikih za preučevanje lastnosti kvazidelcev v plazmi. Te simulacije so pokazale, da se sevanje kvazidelca dejansko v osnovi ne razlikuje od tistega, ki ga ustvari en sam delec končne velikosti.

Ekipa Portugalske, ZDA in Francije opisuje tudi fiziko različice kvazidelcev Čerenkovega učinka. Čerenkovljevo sevanje nastane, ko se nabiti delci širijo skozi medij s hitrostjo, ki je večja od hitrosti svetlobe v tem mediju. Po Einsteinovi posebni teoriji relativnosti se ta učinek ne more zgoditi v vakuumu, kjer je svetlobna hitrost določena na nekaj manj kot 300 000 km/s. Ta omejitev pa ne velja za kvazidelce, ki lahko potujejo s katero koli hitrostjo, vključno s superluminalnimi. "Kvazidelci se lahko premikajo na načine, ki bi jih fizikalni zakoni, ki urejajo posamezne delce, prepovedali," pojasnjuje Palastro. "Prav ta absolutna svoboda nadzora poti kvazidelcev je lahko ključ do novega razreda močnih, a kompaktnih svetlobnih virov."

Viera dodaja, da lahko kvazidelci konstruktivno združujejo sevanje iz 1010 elektroni. To je, ugotavlja, "o naboju elektronskega snopa na SLAC".

Eden od načinov za izdelavo resničnega svetlobnega vira iz kvazidelcev bi bil pošiljanje intenzivnega laserskega impulza ali relativističnega snopa delcev v plazmo ali plin, kjer gostota narašča z razdaljo, dodaja. Ta konfiguracija je znana kot rampa gostote in je standardna v plazemskih pospeševalnikih. Ti pa običajno uporabljajo profil konstantne gostote. Nova postavitev bi ustvarila superluminalni kvazidelec, ki bi vodil k emisiji kvazidelcev Čerenkova.

"Da bi ustvarili valovit kvazidelec, ki vodi do valovitega sevanja, bi lahko poslali intenziven laserski impulz ali relativistični kup delcev v plazmo ali plin, kjer se gostota občasno (sinusoidno) spreminja z razdaljo," pojasnjuje Viera. »Za ustvarjanje takšnih profilov v laboratoriju so že na voljo različne konfiguracije (na primer uporaba interferenčnega vzorca med dvema ionizirajočima laserskima impulzoma, ki ionizirata plazmo le v območjih konstruktivne interference).

“Ogromen vpliv”

Če bi bili zgrajeni in prikazani v laboratoriju, bi lahko kompaktni viri svetlobe, ki temeljijo na kvazidelcih, prinesli znanost in aplikacije, ki so trenutno možne le na nekaj mestih po svetu (kot na LCLS), pravi Viera. »Viri svetlobe imajo ogromen vpliv na naša življenja, od znanosti in tehnologije do vsakdanje uporabe. Imajo na primer ključno vlogo pri nedestruktivnem slikanju (kot je iskanje virusov ali preverjanje kakovosti izdelkov), razumevanju bioloških procesov (kot je fotosinteza), izdelavi računalniških čipov in raziskovanju obnašanja snovi na planetih in zvezdah.«

Raziskovalci zdaj preiskujejo načine, kako bi kvazidelce sevali na drugih valovnih dolžinah elektromagnetnega spektra. Rentgenski žarki imajo na primer valovne dolžine okoli 1 nm in bi bili še posebej uporabni.

"Prav tako poskušamo eksperimentalno prikazati naš koncept," pravi Malaca. "Čeprav gre za trenutno konceptualno inovacijo, verjamemo, da je pristop kvazidelcev dovolj preprost, da ga lahko preizkusimo v desetinah ali celo stotinah laboratorijev po vsem svetu."

Časovni žig:

Več od Svet fizike