Các nhà khoa học đề xuất nguồn sáng siêu sáng được cung cấp bởi các giả hạt – Vật lý Thế giới

Các nhà khoa học đề xuất nguồn sáng siêu sáng được cung cấp bởi các giả hạt – Vật lý Thế giới

Dấu thời gian: Ngày 11 tháng 2023 năm 8 46:XNUMX sáng

Mô phỏng nguồn laser mạnh và sáng được tạo ra bằng cách sử dụng tập hợp nhiều electron chuyển động cùng nhau giống như một hạt khổng lồ hoặc giả hạt
Các nhà khoa học đã nghiên cứu các đặc tính độc đáo của quasiparticles trong plasma bằng cách chạy mô phỏng máy tính tiên tiến trên các siêu máy tính có sẵn thông qua Cam kết chung về máy tính hiệu suất cao của Châu Âu. Họ đề xuất sử dụng các giả hạt để tạo ra những nguồn sáng mạnh như những nguồn sáng tiên tiến nhất hiện nay nhưng nhỏ hơn nhiều. (Được phép: B Malaca)

Một nguồn sáng mới được đề xuất dựa trên các máy gia tốc plasma có thể giúp phát triển các nguồn siêu sáng mạnh mẽ như các laser điện tử tự do tiên tiến nhất – nhưng nhỏ hơn nhiều. Nếu được chứng minh bằng thực nghiệm, thiết kế do một nhóm các nhà nghiên cứu quốc tế đưa ra có thể được khai thác cho nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm tạo ảnh không phá hủy và sản xuất chip máy tính.

Các nguồn sáng kết hợp như laser điện tử tự do thường được sử dụng trong nghiên cứu học thuật, nơi chúng được sử dụng để nghiên cứu cấu trúc của các phân tử sinh học, động lực học của các phản ứng hóa học và các câu đố khác trong vật lý, hóa học và khoa học vật liệu. Vấn đề là chúng rất lớn: Nguồn sáng kết hợp Linac của Đại học Stanford mạnh nhất, dài ba km và được điều khiển bởi Máy gia tốc tuyến tính Stanford (SLAC). Việc thu nhỏ chúng sẽ giúp chúng tiếp cận được với các tổ chức nhỏ hơn như trường đại học, bệnh viện và phòng thí nghiệm công nghiệp.

“Làn sóng Mexico” đối với điện tử

Các nhà nghiên cứu dẫn đầu bởi Jorge Vieira của Viện Kỹ thuật Cao cấp (IST) ở Bồ Đào Nha, cùng với John Palastro của Đại học Rochester, US, nghĩ rằng họ đã tìm ra cách để làm điều đó. Thiết kế của họ được phát triển cùng với các đồng nghiệp tại Đại học California, Los Angeles và Phòng thí nghiệm d'Optique Appliquée ở Pháp, kêu gọi tạo ra một nguồn laser mạnh và sáng bằng cách sử dụng một tập hợp nhiều electron chuyển động cùng nhau giống như một hạt khổng lồ, hay giả hạt. “Để hình dung ý của chúng tôi khi nói điều này, hãy nghĩ đến những làn sóng Mexico, dường như đi vòng quanh đấu trường, mặc dù mỗi người tham gia đều đứng yên,” giải thích Bernardo Malaca, nghiên cứu sinh tiến sĩ tại IST và là tác giả đầu tiên của nghiên cứu về thiết kế được công bố trên tạp chí Thiên nhiên Photonics. “Động lực học hạt tích điện tập thể như vậy là trung tâm của vật lý plasma.”

Về nguyên tắc, giống như làn sóng Mexico có thể di chuyển nhanh hơn từng cá nhân trong đám đông (với điều kiện tất cả họ đều làm việc cùng nhau), Malaca cho biết điều tương tự có thể xảy ra với các electron. Tuy nhiên, trong trường hợp đó, hậu quả sẽ sâu sắc hơn nhiều: “Sóng điện tử Mexico có thể truyền đi nhanh hơn tốc độ ánh sáng, mặc dù tại địa phương không có một điện tử nào nhanh hơn ánh sáng,” ông giải thích.

Malaca cho biết thêm, khi điều đó xảy ra, các sóng điện tử tập thể sẽ phát ra như thể chúng là một điện tử siêu phát sáng duy nhất. “Có thể hình dung bức xạ điện tử tập thể như thể nó có nguồn gốc từ một hạt duy nhất, nâng cao khả năng tạo ra một loại nguồn kết hợp theo thời gian mà cho đến nay chưa thể tưởng tượng được,” ông nói. Thế giới Vật lý.

Một phiên bản giả hạt của hiệu ứng Cherenkov

Trong nghiên cứu mới, các nhà nghiên cứu, được hỗ trợ bởi Cam kết hiệu suất cao của châu Âu, đã sử dụng mô phỏng trên siêu máy tính để nghiên cứu tính chất của các giả hạt trong plasma. Những mô phỏng này cho thấy rằng bức xạ từ một giả hạt về cơ bản là không thể phân biệt được với bức xạ được tạo ra bởi một hạt có kích thước hữu hạn.

Đội Bồ Đào Nha-Mỹ-Pháp cũng mô tả cơ sở vật lý của một phiên bản giả hạt của hiệu ứng Cherenkov. Bức xạ Cherenkov xảy ra khi các hạt tích điện truyền qua môi trường với tốc độ nhanh hơn tốc độ ánh sáng trong môi trường đó. Theo thuyết tương đối đặc biệt của Einstein, hiệu ứng này không thể xảy ra trong chân không, nơi tốc độ ánh sáng được cố định ở mức dưới 300 000 km/s. Tuy nhiên, giới hạn này không áp dụng cho các giả hạt, chúng có thể di chuyển với bất kỳ vận tốc nào, kể cả các vận tốc siêu sáng. Palastro giải thích: “Các giả hạt có thể di chuyển theo những cách mà các định luật vật lý chi phối từng hạt riêng lẻ không cho phép. “Chính sự tự do tuyệt đối này để kiểm soát quỹ đạo quasiparticle có thể nắm giữ chìa khóa hướng tới một loại nguồn sáng mạnh mẽ nhưng nhỏ gọn mới.”

Viera cho biết thêm rằng các giả hạt có thể kết hợp một cách cấu trúc bức xạ từ 1010 electron. Ông lưu ý rằng đây là “về điện tích của một chùm electron tại SLAC”.

Ông cho biết thêm, một cách để tạo ra nguồn sáng trong thế giới thực từ các giả hạt là gửi một xung laser cường độ cao hoặc chùm hạt tương đối tính vào trong plasma hoặc khí nơi mật độ tăng theo khoảng cách. Cấu hình này được gọi là đoạn tăng mật độ và là tiêu chuẩn trong máy gia tốc dựa trên plasma. Tuy nhiên, chúng thường sử dụng cấu hình mật độ không đổi. Cơ cấu mới sẽ tạo ra một giả hạt siêu sáng dẫn tới sự phát xạ tựa hạt-Cherenkov.

Viera giải thích: “Để tạo ra một giả hạt nhấp nhô, dẫn đến bức xạ gợn sóng, chúng ta có thể gửi một xung laser cường độ cao hoặc chùm hạt tương đối tính vào trong plasma hoặc chất khí trong đó mật độ thay đổi tuần hoàn (hình sin) theo khoảng cách”. “Các cấu hình khác nhau đã có sẵn để tạo ra những cấu hình như vậy trong phòng thí nghiệm (ví dụ: sử dụng mô hình giao thoa giữa hai xung laser ion hóa, chỉ làm ion hóa plasma ở những vùng có giao thoa tăng cường).

“Tác động to lớn”

Viera cho biết, nếu được chế tạo và trình diễn trong phòng thí nghiệm, các nguồn sáng nhỏ gọn dựa trên giả hạt có thể mang lại khoa học và ứng dụng mà hiện chỉ có thể thực hiện được ở một số nơi trên thế giới (như tại LCLS). “Nguồn sáng có tác động to lớn đến cuộc sống của chúng ta, từ khoa học công nghệ đến các ứng dụng hàng ngày. Ví dụ, chúng đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ảnh không phá hủy (như quét virus hoặc kiểm tra chất lượng sản phẩm), hiểu các quá trình sinh học (như quang hợp), sản xuất chip máy tính và khám phá hành vi của vật chất trong các hành tinh và các ngôi sao.”

Các nhà nghiên cứu hiện đang nghiên cứu cách làm cho các giả hạt tỏa ra ở các bước sóng khác của phổ điện từ. Ví dụ, tia X có bước sóng khoảng 1 nm và sẽ đặc biệt hữu ích.

Malaca nói: “Chúng tôi cũng đang cố gắng chứng minh bằng thực nghiệm ý tưởng của mình. “Mặc dù hiện tại đang là một sự đổi mới về mặt khái niệm, nhưng chúng tôi tin rằng phương pháp tiếp cận quasiparticle đủ đơn giản để có thể thử nghiệm ở hàng chục hoặc thậm chí hàng trăm phòng thí nghiệm trên khắp thế giới.”

Dấu thời gian:

Thêm từ Thế giới vật lý