Gecontroleerde directe versnelling van elektronen in zeer sterke laservelden kan een pad bieden naar ultracompacte versnellers. Een dergelijke directe versnelling vereist het op geschikte wijze gelijkrichten en ontkoppelen van het oscillerende elektromagnetische laserveld van de elektronen. Wereldwijd proberen onderzoekers deze uitdaging aan te gaan. In experimenten bij het Max Born Institute, directe laserversnelling van elektronen kon nu theoretisch in detail worden gedemonstreerd en begrepen. Dit concept is een belangrijke stap op weg naar het creëren van relativistische en ultrakorte elektronenpulsen binnen zeer korte versnellingsafstanden van minder dan één millimeter. Resulterende compacte elektronen en verwante röntgenbronnen hebben een breed spectrum aan toepassingen in spectroscopie, structurele analyse, biomedische wetenschappen en voor nanotechnologie.

De manier waarop elektronen kunnen worden versneld tot relativistische kinetische energieën in sterke laservelden, is een fundamentele kwestie in de fysica van licht-materie-interactie. Hoewel de elektromagnetische velden van een laserpuls een vrij elektron dat voorheen in rust was, dwingen tot oscillaties met extreem hoge snelheden, deze trillingen stoppen weer als de lichtpuls voorbij is. Een netto energieoverdracht door een dergelijke directe versnelling van een geladen deeltje in het laserveld kan niet plaatsvinden. Dit fundamentele principe - vaak besproken in natuurkunde-examens - is geldig voor bepaalde randvoorwaarden van de ruimtelijke omvang en intensiteit van de laserpuls. Alleen voor bijzondere, verschillende randvoorwaarden, elektronen kunnen inderdaad een netto energieoverdracht ontvangen via versnelling van het sterke laserveld. Deze voorwaarden kunnen b.v. door focussering van de laserpuls of de aanwezigheid van sterke elektrostatische velden in een plasma.

Wereldwijd, wetenschappers zoeken naar oplossingen hoe snel elektronen uit extreem sterke laservelden kunnen worden gehaald en hoe men via ultrakorte laserpulsen korte elektronenpulsen met een hoge ladingsdichtheid kan krijgen.

In lichtvelden van relativistische intensiteit (I> 10 ¹⁸ W/cm ² ) elektronen oscilleren met snelheden die dicht bij de lichtsnelheid liggen. De bijbehorende kinetische energie bereikt waarden van MeV tot GeV (bij I> 10 ²² W/cm ² . Sterke lichtvelden worden gerealiseerd door ultrakorte laserpulsen met hoge energie te focussen op gebieden van enkele micrometers. De resulterende ruimtelijke intensiteitsverdeling maakt de versnelling van de elektronen al mogelijk tot hoge kinetische energieën. Dit proces staat bekend als ponderomotorische versnelling. Het is een essentieel proces voor de interactie tussen sterke lichtvelden en materie. Diverse theoretische studies, echter, hebben voorspeld dat het aantal elektronen en hun kinetische energie verder aanzienlijk kan worden verhoogd door een directe versnelling in het laserveld, maar alleen als de elektron-licht-interactie op een goed afgestemde manier wordt onderbroken. Deze overwegingen waren het uitgangspunt voor de experimenten van Julia Braenzel en haar collega's van het Max Born Instituut.

In de experimenten bij MBI, de elektronen zijn op een bepaald moment ontkoppeld van de lichtpuls, met behulp van een scheidingsfolie die ondoorzichtig is voor het laserlicht maar snelle elektronen kan doorlaten. We konden aantonen dat deze methode leidt tot een toename van het aantal elektronen met hoge snelheden. Aanvankelijk, een 70 TW Ti:Sapphire laserpuls (2 J @ 35 fs) bestraalt een 30 - 100 nm dunne doelfolie bestaande uit een PVF-polymeer. In de laservoortplantingsrichting, ongeveer 109 elektronen worden versneld tot enkele MeV-energie via de ponderomotorische kracht. Tijdens deze interactie wordt de folie bijna volledig geïoniseerd en omgezet in plasma.

Voor voldoende dunne doelfoliediktes van minder dan 100 nm kan een fractie van het invallende laserlicht door het plasma worden doorgelaten. Het doorgelaten licht begint de elektronen in te halen die al in deze richting zijn uitgezonden. Dit komt overeen met een quasi-intrinsiek gesynchroniseerde injectie van langzame elektronen in de uitgezonden, maar nog steeds relativistisch laserveld ( <8 x 10 ¹⁸ W/cm ² ). Als een tweede dunne scheidingsfolie op de juiste afstand achter de eerste wordt geplaatst, versterking in het elektronensignaal voor een bepaald energie-interval wordt waargenomen. Fig. 1a) toont een schema van de temporele evolutie in het experiment en Fig. 1b) geeft een directe vergelijking van de gedetecteerde elektronenspectrale distributie voor een enkele folie en een dubbele folieconfiguratie, waarbij de tweede folie als separator fungeert. Deze folie is ondoorzichtig voor het laserlicht maar transparant voor de snelle elektronen en maakt zo een ontkoppeling van beide mogelijk. Het moment waarop de interactie tussen elektronen en doorgelaten licht wordt onderbroken, hangt af van de afstand tussen de twee folies.

De experimenten uitgevoerd in de groep van Matthias Schnürer tonen aan dat een versterking van het elektronensignaal kan worden verkregen en gemaximaliseerd voor een bepaalde afstand. De versterking verdwijnt voor zeer grote afstanden. Talrijke metingen en numerieke simulaties bevestigden de hypothese dat elektronen met hoge kinetische energie inderdaad uit het lichtveld kunnen worden gehaald als ze op de juiste manier worden ontkoppeld. Als de separatorfolies zich op een geoptimaliseerde positie bevinden, langzame elektronen met kinetische energieën onder 100 keV worden versneld tot ongeveer tien keer hogere kinetische energieën. Dit effect leidt tot een concentratie van elektronen in een smal energie-interval. In tegenstelling tot experimenten met het verschillende mechanisme van laserwake-veldversnelling, waar de productie van GeV-elektronen al is aangetoond, de hier getoonde directe laserversnelling kan worden opgeschaald naar hoge laserintensiteiten en hoge plasmadichtheden. Naast het fundamentele inzicht in interacties tussen laser en materie, de directe laserversnelling die in dit werk wordt gedemonstreerd, is veelbelovend voor de toekomstige realisatie van compacte bronnen van relativistische elektronen.