Forskere genererer superhurtige elektroner med bordlasersystemer

I massive partikelacceleratorer accelereres subatomare partikler (som elektroner) til superhøje hastigheder, der kan sammenlignes med lysets hastighed mod en måloverflade. Kollisionen af ​​accelererede subatomare partikler giver anledning til unikke interaktioner, der gør det muligt for forskere at opnå en dybere forståelse af stoffets grundlæggende egenskaber.

Konventionelt kræver laserbaserede partikelacceleratorer dyre lasere (i størrelsesordenen 1-20 millioner USD) og er indeholdt i massive nationale faciliteter. Et så komplekst setup som dette er i stand til at accelerere elektroner til megaelektronvolt (MeV) energier. Men kan en enklere laser, der kun koster en lille brøkdel af de i øjeblikket anvendte lasere, bruges til at designe sammenlignelige skemaer for partikelacceleration?

I et spændende spring har forskere fra Tata Institute of Fundamental Research, Hyderabad (TIFRH) designet en elegant løsning til med succes at generere MeV (10 ⁶ eV) temperaturelektroner ved blot en brøkdel (100 gange mindre) af laserintensiteten, som tidligere blev anset for nødvendig.

Resultaterne er publiceret i tidsskriftet Communications Physics .

Teknikken implementerer to laserimpulser; først for at skabe en lille, kontrolleret eksplosion i en mikrodråbe, efterfulgt af en anden impuls for at accelerere elektroner til megaelektronvolt (MeV) energier. Hvad der er endnu mere spændende er, at de har opnået dette med en laser, der er 100 gange mindre, end hvad man tidligere anså for nødvendigt, hvilket gør den mere tilgængelig og alsidig til fremtidig forskning. Implikationerne af denne opdagelse kan være dramatiske på grund af evnen til at producere højenergielektronstråler til applikationer, der spænder fra ikke-destruktiv testning, billeddannelse, tomografi og mikroskopi og kan påvirke materialevidenskab til biologiske videnskaber.

Opsætningen udviklet af TIFRH-forskere bruger en millijoule-laser, der skyder med en hastighed på 1.000 impulser i sekundet med ultrakorte 25 fs-impulser og bruges til dynamisk at mejsle mikrodråber med en diameter på 15 µm. Denne dynamiske målformning involverer to laserimpulser, der arbejder i tandem. Den første impuls danner en konkav overflade i væskedråben, og den anden impuls driver elektrostatiske plasmabølger, der driver elektroner til MeV-energier.

Elektrostatiske bølger er oscillationer i plasma ligner meget de mekaniske forstyrrelser, der skabes i en vanddam, når du gennem en sten. Her skaber laseren forstyrrelser i havet af elektroner og genererer en "elektron-tsunami", der går i stykker for at give højenergielektroner meget ligesom sprøjtet fra en bølge i havkysten. Processen genererer ikke én, men to elektronstråler, hver med forskellige temperaturkomponenter:200 keV og 1 MeV.

Denne innovation producerer rettede elektronstråler ud over 4 MeV med en laser, der passer på en bordplade, hvilket gør den til en game-changer for tidsopløste, mikroskopiske undersøgelser på tværs af forskellige videnskabelige områder.

Flere oplysninger: Angana Mondal et al., Formede væskedråber genererer MeV-temperaturelektronstråler med millijoule-klasselaser, Kommunikationsfysik (2024). DOI:10.1038/s42005-024-01550-8

Leveret af Tata Institute of Fundamental Research