Forskare föreslår en superljuskälla som drivs av kvasipartiklar – Physics World

Forskare föreslår en superljuskälla som drivs av kvasipartiklar – Physics World

Tidsstämpel: 11 december 2023 8:46

En simulering av en kraftfull och ljusstark laserkälla skapad med hjälp av en samling av många elektroner som rör sig tillsammans som en enda jättepartikel eller kvasipartikel
Forskare studerade de unika egenskaperna hos kvasipartiklar i plasma genom att köra avancerade datorsimuleringar på superdatorer tillgängliga genom European High-Performance Computing Joint Undertaking. De föreslår att man använder kvasipartiklar för att skapa ljuskällor lika kraftfulla som de mest avancerade som finns idag, men mycket mindre. (Med tillstånd: B Malaca)

En föreslagen ny ljuskälla baserad på plasmaacceleratorer skulle kunna göra det möjligt att utveckla superljusa källor lika kraftfulla som de mest avancerade frielektronlasrarna – men mycket mindre. Om den demonstreras experimentellt kan designen som lagts fram av ett internationellt konsortium av forskare utnyttjas för en mängd olika applikationer, inklusive icke-förstörande bildbehandling och tillverkning av datorchips.

Koherenta ljuskällor som frielektronlasrar används rutinmässigt i akademisk forskning, där de används för att studera biomolekylers struktur, dynamiken i kemiska reaktioner och andra pussel inom fysik, kemi och materialvetenskap. Problemet är att de är enorma: den mest kraftfulla, Stanford Universitys Linac Coherent Light Source, är tre kilometer lång och drivs av Stanford Linear Accelerator (SLAC). Att minska dem skulle göra dem inom räckhåll för mindre institutioner som universitet, sjukhus och industriella laboratorier.

En "mexikansk våg" för elektroner

Forskare ledd av Jorge Vieira av Instituto Superior Técnico (IST) i Portugal, tillsammans med John Palastro av University of Rochester, USA, tror att de har hittat ett sätt att göra just det. Deras design, som de utvecklade tillsammans med kollegor på University of California, Los Angeles och Laboratoire d'Optique Appliquée i Frankrike kräver att en kraftfull och ljus laserkälla skapas med hjälp av en samling av många elektroner som rör sig tillsammans som en enda jättepartikel, eller kvasipartikel. "För att föreställa oss vad vi menar med detta, tänk på mexikanska vågor, som verkar gå runt arenan, även om varje deltagande person stannar kvar", förklarar Bernardo Malaca, doktorand vid IST och första författare till en studie om designen publicerad i Naturfotonik. "Sådan kollektiv laddad partikeldynamik är kärnan i plasmafysiken."

Precis som en mexikansk våg i princip kan färdas snabbare än de enskilda människorna i mängden (förutsatt att de alla arbetar tillsammans), säger Malaca att samma sak kan hända med elektroner. Men i så fall skulle konsekvenserna bli mycket djupare: "Mexikanska elektronvågor kan färdas snabbare än ljusets hastighet, även om det inte finns en enda elektron lokalt som är snabbare än ljuset", förklarar han.

När det händer, tillägger Malaca, skulle de kollektiva elektronvågorna stråla ut som om de vore en enda superluminal elektron. "Den kollektiva elektronstrålningen kan avbildas som om den härstammar från en enda partikel, vilket ökar möjligheten att skapa en hittills oanad klass av tidsmässigt koherenta källor", säger han. Fysik värld.

En kvasipartikelversion av Cherenkov-effekten

I det nya arbetet har forskarna, som fick stöd av Europeiskt företag för högpresterande datorer, använde simuleringar på superdatorer för att studera egenskaperna hos kvasipartiklar i plasma. Dessa simuleringar visade att strålning från en kvasipartikel verkligen är fundamentalt omöjlig att skilja från den som produceras av en enda ändlig partikel.

Teamet Portugal-USA-Frankrike beskriver också fysiken för en kvasipartikelversion av Cherenkov-effekten. Cherenkov-strålning uppstår när laddade partiklar fortplantar sig genom ett medium med en hastighet som är snabbare än ljusets hastighet i det mediet. Enligt Einsteins speciella relativitetsteori kan denna effekt inte ske i vakuum, där ljusets hastighet är fixerad till strax under 300 000 km/s. Denna gräns gäller dock inte kvasipartiklar som kan färdas med vilken hastighet som helst, inklusive superluminala. "Kvasipartiklarna kan röra sig på ett sätt som skulle vara otillåtet av fysikens lagar som styr enskilda partiklar," förklarar Palastro. "Det är denna absoluta frihet att kontrollera kvasipartikelbanan som kan hålla nyckeln till en ny klass av kraftfulla men ändå kompakta ljuskällor."

Viera tillägger att kvasipartiklar konstruktivt kan kombinera strålningen från 1010 elektroner. Detta, noterar han, handlar "om laddningen av ett elektrongäng vid SLAC".

Ett sätt att göra en verklig ljuskälla av kvasipartiklar skulle vara att skicka en intensiv laserpuls eller relativistiska partiklar till en plasma eller gas där densiteten stiger med avståndet, tillägger han. Denna konfiguration är känd som en densitetsuppramp och är standard i plasmabaserade acceleratorer. Dessa använder emellertid vanligtvis en konstant densitetsprofil. Den nya uppsättningen skulle skapa en superluminal kvasipartikel som leder till kvasipartikel-Cherenkov-emission.

"För att skapa en vågformig kvasipartikel, vilket leder till vågformad strålning, kan vi skicka en intensiv laserpuls eller relativistiska partiklar till en plasma eller gas där densiteten varierar periodiskt (sinusformigt) med avståndet", förklarar Viera. "Det finns redan olika konfigurationer för att skapa sådana profiler i laboratoriet (till exempel genom att använda interferensmönstret mellan två joniserande laserpulser, som joniserar plasman endast i områden med konstruktiv interferens).

”En enorm påverkan”

Om de byggs och demonstreras i laboratoriet kan kompakta ljuskällor baserade på kvasipartiklar ge vetenskap och tillämpningar som för närvarande bara är möjliga på ett fåtal platser runt om i världen (som vid LCLS), säger Viera. "Ljuskällor har en enorm inverkan på våra liv, från vetenskap och teknik till vardagliga tillämpningar. Till exempel spelar de en avgörande roll i oförstörande bildbehandling (som att söka efter virus eller kontrollera produktkvalitet), förstå biologiska processer (som fotosyntes), tillverka datorchips och utforska materiens beteende i planeter och stjärnor."

Forskarna undersöker nu sätt att få kvasipartiklar att stråla vid andra våglängder av det elektromagnetiska spektrumet. Röntgenstrålar, till exempel, har våglängder på runt 1 nm, och skulle vara särskilt användbara.

"Vi försöker också experimentellt demonstrera vårt koncept," säger Malaca. "Även om vi är en konceptuell innovation för tillfället tror vi att kvasipartikelmetoden är enkel nog att testas i dussintals eller till och med hundratals laboratorier runt om i världen."

Tidsstämpel:

Mer från Fysikvärlden