Вчені пропонують надяскраве джерело світла на основі квазічастинок – Physics World

Запропоноване нове джерело світла на основі плазмових прискорювачів може зробити можливим розробку надяскравих джерел, таких же потужних, як найсучасніші лазери на вільних електронах, але набагато менших. Якщо експериментально продемонструвати дизайн, запропонований міжнародним консорціумом дослідників, він може бути використаний для різноманітних застосувань, включаючи неруйнівне зображення та виробництво комп’ютерних мікросхем.

Джерела когерентного світла, такі як лазери на вільних електронах, зазвичай використовуються в академічних дослідженнях, де вони використовуються для вивчення структури біомолекул, динаміки хімічних реакцій та інших загадок у фізиці, хімії та матеріалознавстві. Проблема полягає в тому, що вони величезні: найпотужніший, джерело когерентного світла Linac Стенфордського університету, має три кілометри в довжину і працює від Стенфордського лінійного прискорювача (SLAC). Зменшення їх масштабу зробить їх доступними для невеликих установ, таких як університети, лікарні та промислові лабораторії.

«Мексиканська хвиля» для електронів

Дослідники під керівництвом о Хорхе Вієйра в Вищий технічний інститут (IST) в Португалії разом з Джон Паластро в університет Рочестера, США, думають, що знайшли спосіб зробити саме це. Їх дизайн, який вони розробили з колегами з Каліфорнійський університет, Лос-Анджелес і Laboratoire d'Optique Appliquée у Франції вимагає створення потужного та яскравого лазерного джерела з використанням набору багатьох електронів, які рухаються разом, як одна гігантська частинка або квазічастинка. «Щоб уявити, що ми маємо на увазі під цим, подумайте про мексиканські хвилі, які, здається, обертаються навколо арени, навіть якщо кожен учасник залишається на місці», — пояснює Бернардо Малака, докторант IST і перший автор дослідження про дизайн, опублікованого в Природа Фотоніка. «Така колективна динаміка заряджених частинок лежить в основі фізики плазми».

Подібно до того, як мексиканська хвиля може, в принципі, поширюватися швидше, ніж окремі люди в натовпі (за умови, що всі вони працюють разом), Малака каже, що те саме може статися з електронами. Однак у цьому випадку наслідки були б набагато глибшими: «мексиканські електронні хвилі могли б поширюватися швидше за швидкість світла, навіть якщо в місцевості немає жодного електрона, який би був швидшим за світло», — пояснює він.

Коли це станеться, додає Малака, колективні електронні хвилі випромінюватимуться так, ніби вони є єдиним надсвітловим електроном. «Колективне випромінювання електронів можна уявити так, ніби воно походить від однієї частинки, що підвищує можливість створення досі немислимого класу когерентних у часі джерел», — розповідає він. Світ фізики.

Квазічастинковий варіант ефекту Черенкова

У новій роботі дослідники, які були підтримані в Європейське спільне підприємство з високоефективних обчислень, використовував моделювання на суперкомп’ютерах для вивчення властивостей квазічастинок у плазмі. Це моделювання показало, що випромінювання від квазічастинок дійсно принципово не відрізняється від випромінювання, яке створює одна частинка кінцевого розміру.

Команда Португалії, США і Франції також описує фізику квазічастинкової версії ефекту Черенкова. Випромінювання Черенкова виникає, коли заряджені частинки поширюються в середовищі зі швидкістю, яка перевищує швидкість світла в цьому середовищі. Відповідно до спеціальної теорії відносності Ейнштейна, цей ефект не може мати місце у вакуумі, де швидкість світла зафіксована на рівні трохи менше 300 000 км/с. Однак це обмеження не стосується квазічастинок, які можуть рухатися з будь-якою швидкістю, включаючи надсвітлові. «Квазічастинки можуть рухатися способами, які були б заборонені законами фізики, що керують окремими частинками», — пояснює Паластро. «Саме ця абсолютна свобода контролю траєкторії квазічастинок може стати ключем до нового класу потужних, але компактних джерел світла».

Вієра додає, що квазічастинки можуть конструктивно поєднувати випромінювання від 10¹⁰ електрони. Це, зазначає він, «про заряд електронного згустку в SLAC».

Він додає, що одним із способів створити реальне джерело світла з квазічастинок було б надіслати інтенсивний лазерний імпульс або згусток релятивістських частинок у плазму чи газ, де щільність зростає з відстанню. Ця конфігурація відома як збільшення щільності та є стандартною для плазмових прискорювачів. Однак вони зазвичай використовують профіль постійної щільності. Нова установка створить надсвітлову квазічастинку, що призведе до випромінювання квазічастинок Черенкова.

«Щоб створити хвилеподібну квазічастинку, що призводить до хвилеподібного випромінювання, ми могли б надіслати інтенсивний лазерний імпульс або згусток релятивістських частинок у плазму чи газ, де щільність змінюється періодично (синусоїдально) з відстанню», — пояснює Вієра. «Вже доступні різні конфігурації для створення таких профілів у лабораторії (наприклад, використання інтерференційної картини між двома іонізуючими лазерними імпульсами, які іонізують плазму лише в областях конструктивної інтерференції).

«Величезний вплив»

Якщо створити та продемонструвати в лабораторії, компактні джерела світла на основі квазічастинок можуть принести науку та застосування, які зараз можливі лише в кількох місцях по всьому світу (наприклад, у LCLS), каже Вієра. «Джерела світла мають величезний вплив на наше життя, від науки й техніки до повсякденного застосування. Наприклад, вони відіграють вирішальну роль у неруйнівній візуалізації (скануванні на наявність вірусів або перевірці якості продукції), розумінні біологічних процесів (наприклад, фотосинтезу), виробництві комп’ютерних мікросхем і дослідженні поведінки матерії на планетах і зірках».

Новий прискорювач частинок приводиться в рух вигнутими лазерними променями

Зараз дослідники досліджують способи змусити квазічастинки випромінювати на інших довжинах хвиль електромагнітного спектру. Наприклад, рентгенівське випромінювання має довжину хвилі близько 1 нм і було б особливо корисним.

«Ми також намагаємося експериментально продемонструвати нашу концепцію», — каже Малака. «Хоча на даний момент це концептуальна інновація, ми вважаємо, що квазічастинковий підхід достатньо простий, щоб його можна було випробувати в десятках або навіть сотнях лабораторій по всьому світу».

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Додайте собі сили. Доступ тут.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• ПлатонЕСГ. вуглець, CleanTech, Енергія, Навколишнє середовище, Сонячна, Поводження з відходами. Доступ тут.
• PlatoHealth. Розвідка про біотехнології та клінічні випробування. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/scientists-propose-super-bright-light-source-powered-by-quasiparticles/