科学家提出由准粒子驱动的超亮光源 – 物理世界

科学家提出由准粒子驱动的超亮光源 – 物理世界

时间戳：11年2023月8日凌晨46:XNUMX

使用许多电子的集合创建的强大而明亮的激光源的模拟，这些电子像单个巨粒子或准粒子一样一起移动
科学家们通过在欧洲高性能计算联合项目提供的超级计算机上运行先进的计算机模拟，研究了等离子体中准粒子的独特性质。 他们建议使用准粒子来制造与当今最先进的光源一样强大的光源，但要小得多。 （由 B 马六甲提供）

拟议的基于等离子体加速器的新光源可以开发出与最先进的自由电子激光器一样强大的超亮光源，但体积要小得多。 如果通过实验证明，国际研究人员联盟提出的设计可能会用于多种应用，包括无损成像和计算机芯片制造。

自由电子激光器等相干光源通常用于学术研究，用于研究生物分子的结构、化学反应的动力学以及物理、化学和材料科学中的其他难题。 问题是它们非常巨大：最强大的是斯坦福大学的直线加速器相干光源，长三公里，由斯坦福线性加速器（SLAC）驱动。 缩小规模将使大学、医院和工业实验室等较小的机构能够覆盖它们。

电子的“墨西哥浪潮”

研究人员领导 豪尔赫·维埃拉 的 高级技术学院 (IST) 在葡萄牙，与 约翰·帕斯特罗 的 罗切斯特大学美国认为他们已经找到了做到这一点的方法。 他们的设计是与同事一起开发的 美国加州大学洛杉矶 和 光学贴花实验室 在法国，呼吁使用许多电子的集合来创建强大而明亮的激光源，这些电子像单个巨粒子或准粒子一样一起移动。 “为了理解我们的意思，想想墨西哥波浪，尽管每个参赛者都留在原地，但它似乎绕着竞技场转了一圈，”解释道 贝尔纳多·马六甲，IST 的一名博士生，也是该设计研究的第一作者，该研究发表于 自然光子学“。 “这种集体带电粒子动力学是等离子体物理学的核心。”

正如墨西哥波原则上可以比人群中的个人传播得更快（假设他们都一起工作），马六甲说电子也会发生同样的事情。 但在这种情况下，后果将更加深远：“墨西哥电子波的传播速度可能超过光速，尽管当地没有一个电子比光速更快，”他解释道。

马六甲补充说，当这种情况发生时，集体电子波将像单个超光速电子一样辐射出去。 “集体电子辐射可以被描绘成好像它起源于单个粒子，这提高了创建迄今为止无法想象的一类时间相干源的可能性，”他告诉我们 物理世界。

切伦科夫效应的准粒子版本

在这项新工作中，研究人员得到了 欧洲高性能计算联合承诺，使用超级计算机上的模拟来研究等离子体中准粒子的特性。 这些模拟表明，准粒子的辐射实际上与单个有限尺寸粒子产生的辐射基本上没有区别。

葡萄牙-美国-法国团队还描述了切伦科夫效应的准粒子版本的物理学。 当带电粒子以比该介质中的光速更快的速度传播通过介质时，就会发生切伦科夫辐射。 根据爱因斯坦的狭义相对论，这种效应不可能在真空中发生，因为真空中的光速固定在 300 000 公里/秒以下。 然而，这个限制不适用于准粒子，它可以以任何速度行进，包括超光速。 “准粒子的移动方式是控制单个粒子的物理定律所不允许的，”帕斯特罗解释道。 “正是这种控制准粒子轨迹的绝对自由可能成为新型强大而紧凑的光源的关键。”

Viera 补充说，准粒子可以建设性地结合 1010 电子。 他指出，这“与 SLAC 电子束的电荷有关”。

他补充说，用准粒子制造现实世界光源的一种方法是将强激光脉冲或相对论粒子束发送到等离子体或气体中，其中密度随着距离的增加而增加。 这种配置称为密度上升斜坡，是等离子体加速器的标准配置。 然而，这些通常使用恒定的密度分布。 新装置将产生超光速准粒子，从而导致准粒子切伦科夫发射。

“为了产生波动准粒子，从而产生波动辐射，我们可以将强激光脉冲或相对论粒子束发送到等离子体或气体中，其中密度随距离周期性（正弦）变化，”维埃拉解释道。 “不同的配置已经可以在实验室中创建这样的轮廓（例如，使用两个电离激光脉冲之间的干涉图案，仅在相长干涉区域使等离子体电离）。

“影响巨大”

Viera 说，如果在实验室中构建和演示，基于准粒子的紧凑型光源可以带来目前只能在世界上少数地方（如 LCLS）实现的科学和应用。 “从科学技术到日常应用，光源对我们的生活有着巨大的影响。 例如，它们在无损成像（如扫描病毒或检查产品质量）、了解生物过程（如光合作用）、制造计算机芯片以及探索行星和恒星中物质的行为方面发挥着至关重要的作用。”

研究人员现在正在研究使准粒子辐射电磁波谱其他波长的方法。 例如，X 射线的波长约为 1 nm，因此特别有用。

“我们还试图通过实验证明我们的概念，”马六甲说。 “虽然目前是一种概念创新，但我们相信准粒子方法足够简单，可以在世界各地数十个甚至数百个实验室中进行试验。”

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