Kompakt elektronaccelerator når nye hastigheder med kun lys

Forskere, der udnytter præcis kontrol af ultrahurtige lasere, har accelereret elektroner over en strækning på 20 centimeter til hastigheder, der normalt er forbeholdt partikelacceleratorer på størrelse med 10 fodboldbaner.

Et hold ved University of Maryland (UMD) ledet af professor i fysik og elektrisk og computerteknik Howard Milchberg, i samarbejde med teamet af Jorge J. Rocca ved Colorado State University (CSU), opnåede denne bedrift ved at bruge to laserimpulser sendt gennem en stråle af brintgas. Den første puls rev brinten fra hinanden, slog et hul igennem det og skabte en plasmakanal. Den kanal styrede en anden puls med højere effekt, der tog elektroner op af plasmaet og trak dem med i dets kølvand og accelererede dem til næsten lysets hastighed i processen.

Med denne teknik accelererede holdet elektroner til næsten 40 % af energien opnået ved massive faciliteter som den kilometerlange Linac Coherent Light Source (LCLS), acceleratoren ved SLAC National Accelerator Laboratory. Papiret blev accepteret til tidsskriftet Physical Review X den 1. august 2022.

"Dette er den første multi-GeV elektronaccelerator drevet udelukkende af lasere," siger Milchberg, som også er tilknyttet Institut for Forskningselektronik og Anvendt Fysik ved UMD. "Og med lasere, der bliver billigere og mere effektive, forventer vi, at vores teknik vil blive vejen at gå for forskere på dette område."

Motiverer til det nye arbejde er acceleratorer som LCLS, en kilometer lang bane, der accelererer elektroner til 13,6 milliarder elektronvolt (GeV) - energien fra en elektron, der bevæger sig med 99,99999993 % af lysets hastighed. LCLS's forgænger står bag tre nobelprisvindende opdagelser om fundamentale partikler. Nu er en tredjedel af den originale accelerator blevet omdannet til LCLS, ved at bruge dens superhurtige elektroner til at generere de kraftigste røntgenlaserstråler i verden. Forskere bruger disse røntgenstråler til at kigge ind i atomer og molekyler i aktion og skabe videoer af kemiske reaktioner. Disse videoer er vitale værktøjer til lægemiddelopdagelse, optimeret energilagring, innovation inden for elektronik og meget mere.

At accelerere elektroner til energier på titusinder af GeV er ingen let bedrift. SLACs lineære accelerator giver elektroner det skub, de har brug for, ved hjælp af kraftige elektriske felter, der forplanter sig i en meget lang række af segmenterede metalrør. Hvis de elektriske felter var mere kraftfulde, ville de udløse en torden inde i rørene og alvorligt beskadige dem. Da forskerne ikke er i stand til at skubbe elektroner hårdere, har forskere valgt at skubbe dem i længere tid, hvilket giver mere bane for partiklerne til at accelerere. Derfor den kilometerlange skive på tværs af det nordlige Californien. For at bringe denne teknologi til en mere overskuelig skala arbejdede UMD- og CSU-holdene på at øge elektronerne til næsten lysets hastighed ved at bruge - passende nok - selve lyset.

"Målet i sidste ende er at krympe elektronacceleratorer i GeV-skala til et værelse af beskeden størrelse," siger Jaron Shrock, en kandidatstuderende i fysik ved UMD og medførsteforfatter på værket. "Du tager enheder i kilometerskala, og du har endnu en faktor på 1.000 stærkere accelerationsfelt. Så du tager kilometerskala til meterskala, det er målet med denne teknologi."

At skabe de stærkere accelererende felter i et laboratorium anvender en proces kaldet laser wakefield acceleration, hvor en puls af tæt fokuseret og intens laserlys sendes gennem et plasma, hvilket skaber en forstyrrelse og trækker elektroner med i dets kølvand.

"Du kan forestille dig laserpulsen som en båd," siger Bo Miao, en postdoktor i fysik ved University of Maryland og medførsteforfatter på værket. "Når laserimpulsen bevæger sig i plasmaet, fordi den er så intens, skubber den elektronerne ud af dens vej, som vand skubbet til side af en båds stævn. Disse elektroner går rundt om båden og samler sig lige bag den og bevæger sig ind i pulsen vågner."

Laservågefeltacceleration blev først foreslået i 1979 og demonstreret i 1995. Men den afstand, som den kunne accelerere elektroner over, forblev stædigt begrænset til et par centimeter. Det, der gjorde UMD- og CSU-teamet i stand til at udnytte wakefield-acceleration mere effektivt end nogensinde før, var en teknik, som UMD-teamet var pioner for at tæmme højenergistrålen og forhindre den i at sprede sin energi for tynd. Deres teknik slår et hul gennem plasmaet og skaber en bølgeleder, der holder strålens energi fokuseret.

"En bølgeleder tillader en puls at forplante sig over en meget længere afstand," forklarer Shrock. "Vi er nødt til at bruge plasma, fordi disse pulser har så høj energi, de er så lyse, at de ville ødelægge et traditionelt fiberoptisk kabel. Plasma kan ikke ødelægges, fordi det i en vis forstand allerede er det."

Deres teknik skaber noget, der ligner fiberoptiske kabler - de ting, der bærer fiberoptiske internettjenester og andre telekommunikationssignaler - ud af den blå luft. Eller mere præcist ud af omhyggeligt skulpturelle stråler af brintgas.

En konventionel fiberoptisk bølgeleder består af to komponenter:en central "kerne", der leder lyset, og en omgivende "beklædning", der forhindrer lyset i at sive ud. For at lave deres plasmabølgeleder bruger holdet en ekstra laserstråle og en stråle af brintgas. Da denne ekstra "styrende" laser bevæger sig gennem strålen, river den elektronerne af brintatomerne og skaber en plasmakanal. Plasmaet er varmt og begynder hurtigt at udvide sig, hvilket skaber en plasma-"kerne" med lavere tæthed og en gas med højere densitet på kanten, som en cylindrisk skal. Derefter sendes hovedlaserstrålen (den, der samler elektroner i kølvandet) gennem denne kanal. Selve forkanten af ​​denne puls vender skallen med højere tæthed til plasma også, hvilket skaber "beklædningen".

"Det er lidt ligesom, at den allerførste puls rydder et område ud," siger Shrock, "og så falder den højintensive puls ned som et tog, hvor en person står foran og kaster ned af sporene, mens den kører."

Ved at bruge UMD's optisk genererede plasmabølgelederteknik, kombineret med CSU-teamets kraftfulde laser og ekspertise, var forskerne i stand til at accelerere nogle af deres elektroner til svimlende 5 GeV. Dette er stadig en faktor 3 mindre end SLAC's massive accelerator, og ikke helt det maksimale opnået med laser wakefield acceleration (den ære tilhører et team hos Lawrence Berkeley National Labs). Imidlertid er laserenergien, der bruges pr. GeV af acceleration i det nye arbejde, rekord, og holdet siger, at deres teknik er mere alsidig:Den kan potentielt producere elektronudbrud tusindvis af gange i sekundet (i modsætning til omtrent en gang i sekundet), hvilket gør det er en lovende teknik til mange anvendelser, fra højenergifysik til generering af røntgenstråler, der kan tage videoer af molekyler og atomer i aktion som ved LCLS. Nu hvor teamet har demonstreret succesen med metoden, planlægger de at forfine opsætningen for at forbedre ydeevnen og øge accelerationen til højere energier.

"Lige nu genereres elektronerne langs hele bølgelederens længde, 20 centimeter lang, hvilket gør deres energifordeling mindre end ideel," siger Miao. "Vi kan forbedre designet, så vi kan kontrollere, hvor de præcist injiceres, og så kan vi bedre kontrollere kvaliteten af ​​den accelererede elektronstråle."

Mens drømmen om LCLS på en bordplade endnu ikke er en realitet, siger forfatterne, at dette værk viser en vej frem. "Der er en masse teknik og videnskab, der skal udføres mellem nu og da," siger Shrock. "Traditionelle acceleratorer producerer meget gentagelige stråler, hvor alle elektronerne har lignende energier og bevæger sig i samme retning. Vi er stadig ved at lære, hvordan man forbedrer disse stråleegenskaber i multi-GeV laser wakefield acceleratorer. Det er også sandsynligt, at for at opnå energier på skalaen fra titusindvis af GeV, bliver vi nødt til at iscenesætte flere wakefield-acceleratorer, der passerer de accelererede elektroner fra det ene trin til det næste, samtidig med at strålekvaliteten bevares. Så der er lang vej mellem nu og at have en facilitet af LCLS-typen, der er afhængig af laservågenfeltacceleration." + Udforsk yderligere

Plasmabølgeledere i meterskala skubber partikelacceleratorens konvolut