Onderzoekers van de Universiteit van Californië in San Diego hebben berekeningen gemaakt voor het creëren van gedraaide laserstralen met hoge intensiteit - een smaak van laserpulsen die de wereld waarschijnlijk nog nooit heeft gezien. Deze onderzoekers hebben ook uitgerekend hoe ze deze kurkentrekkervormige laserpulsen kunnen gebruiken om baanbrekend onderzoek te doen. Eindelijk, ze hebben voorspellingen over hoe de materialen waarin ze van plan zijn te "boren" met lichtpulsen van kurkentrekker zullen reageren.

Momenteel, al dit werk leeft in het domein van theorie en supercomputersimulaties. Maar dat gaat veranderen, dankzij financiering van de National Science Foundation (NSF). Een nieuwe subsidie ​​stelt UC San Diego-onderzoekers in staat om samen te werken met experimentatoren en daadwerkelijk experimenten uit te voeren om interacties tussen gedraaid licht met hoge intensiteit en materie in Europa's nieuwe, geavanceerde Extreme Light Infrastructure (ELI)-faciliteiten in Roemenië en Tsjechië. Dit is de eerste NSF-beurs die in de VS gevestigde onderzoekers financiert om hun theoretische werk bij ELI-faciliteiten te testen.

Alexey Arefiev, een professor in mechanische en ruimtevaarttechniek aan de UC San Diego, is de hoofdonderzoeker van de driejarige NSF-subsidie. Het grootste deel van het experimentele werk zal worden gedaan in de Extreme Light Infrastructure for Nuclear Physics (ELI-NP) in Roemenië, die onlangs zijn 10 Petawatt high power lasersysteem in première heeft gebracht.

"Het is erg moeilijk om gedraaid licht met hoge intensiteit te maken. Conventionele methoden voor het draaien van licht zijn niet van toepassing, "Zei Arefiev. "We zijn heel blij met deze kansen. Je moet je theoretische werk experimenteel testen, omdat dit de enige manier is om je begrip van hoe de natuur echt werkt te verbeteren."

Uit dit werk zouden fundamentele inzichten voor kernfysica en astrofysica kunnen voortkomen. Het onderzoek kan ook leiden tot inzichten die nuttig zijn voor niet-invasieve tumortherapieën. In het bijzonder:het gedraaide licht zou kunnen worden gebruikt om de eigenschappen van de ionenbundel die nodig zijn voor protontherapieën te verbeteren.

"Voor jaren, Alexey Arefiev heeft een voortrekkersrol gespeeld bij het modelleren van licht-materie-interacties bij extreme intensiteiten. De mogelijkheid om dit theoretische werk te testen, zal het hele veld van interacties van lichte materie met extreme intensiteiten vooruit helpen. Dit is een geweldig voorbeeld van het allerbeste dat internationale onderzoekssamenwerkingen kunnen bieden, " zei Vyacheslav (Slava) Lukin, een programmadirecteur voor het Plasma Physics-programma bij de National Science Foundation.

De unieke samenwerking kwam voort uit een poging van het Amerikaanse ministerie van Buitenlandse Zaken om internationale wetenschappelijke samenwerking aan te moedigen via een dialoog tussen de VS en ELI.

Het UC San Diego-team zal samenwerken met een team onder leiding van Dan Stutman, een onderzoekswetenschapper van de Johns Hopkins University die ook senior wetenschapper is en hoofd van laserexperimenten in de kernfysica bij ELI-NP. Het theoretische werk aan UC San Diego zal ook helpen bij het begeleiden en benchmarken van lopend onderzoek naar gedraaid licht met hoge intensiteit en hoge energie in de ELI-NP- en CETAL-PW-laserfaciliteiten in Roemenië - werk dat wordt geleid door Stutman en wordt gefinancierd door de Roemeens Ministerie voor Onderzoek en Innovatie.

Kurkentrekker laserpulsen

De theoretische routekaart voor het maken van het kurkentrekkerlicht bouwt voort op het werk van Yin Shi, een postdoctoraal onderzoeker in Arefiev's Relativistic Laser-Plasma Simulation Group aan de UC San Diego Jacobs School of Engineering en een voormalig ontvanger van de Newton International Fellowship van de Royal Society (VK).

"We gaan eindelijk ontdekken wat we wel en niet begrijpen van kurkentrekkerlicht. Deze kans om daadwerkelijk te creëren, het bestuderen en testen van deze speciale laserpulsen is een ongelooflijke kans, zowel intellectueel als in termen van mijn carrière, " zei Shi. "Ik kijk ernaar uit om het meeste uit de ELI-lasers en onderzoeksteams te halen."

Zodra het kurkentrekkerlicht wordt gegenereerd, Arefiev en zijn team zullen samenwerken met experimentatoren om ervoor te zorgen dat deze laserpulsen met hoge intensiteit een interactie aangaan met de materialen die ze onderzoeken op manieren die magnetische velden genereren die nog nooit eerder zijn geproduceerd. Dit houdt in dat ervoor wordt gezorgd dat het baanimpulsmoment dat deze ultrakorte pulsen hun kurkentrekkervorm geeft, daadwerkelijk wordt overgedragen op het plasmamateriaal.

Eindelijk, het team heeft voorspellingen over hoe de magnetische velden de dynamiek van ionen zullen beïnvloeden.

"Er moet nog zoveel natuurkunde worden ontdekt. ​​Er is zoveel dat we niet weten over hoe laserpulsen met een baanimpulsmoment zich zullen gedragen, hoe het baanimpulsmoment zal overgaan op plasmamaterialen, en hoe dat het ionentransport zal beïnvloeden, " zei Arefiev. "Het leven zit vol verrassingen, dit experimentele werk zou tot veel nieuwe ontdekkingen kunnen leiden."