Wetenschappers die nauwkeurige besturing van ultrasnelle lasers gebruiken, hebben elektronen over een rek van 20 centimeter versneld tot snelheden die gewoonlijk zijn voorbehouden aan deeltjesversnellers ter grootte van 10 voetbalvelden.

Een team van de Universiteit van Maryland (UMD) onder leiding van professor in natuurkunde en elektrische en computertechniek Howard Milchberg, in samenwerking met het team van Jorge J. Rocca van de Colorado State University (CSU), bereikte deze prestatie met behulp van twee laserpulsen die door een straal waterstofgas. De eerste puls scheurde de waterstof uit elkaar, sloeg er een gat doorheen en creëerde een kanaal van plasma. Dat kanaal leidde een tweede, krachtigere puls die elektronen uit het plasma opraapte en ze in zijn kielzog meesleepte, waardoor ze werden versneld tot bijna de lichtsnelheid.

Met deze techniek versnelde het team elektronen tot bijna 40% van de energie die werd bereikt in enorme faciliteiten zoals de kilometerslange Linac Coherent Light Source (LCLS), de versneller bij SLAC National Accelerator Laboratory. Het artikel werd geaccepteerd voor het tijdschrift Physical Review X op 1 augustus 2022.

"Dit is de eerste multi-GeV-elektronenversneller die volledig door lasers wordt aangedreven", zegt Milchberg, die ook verbonden is aan het Institute of Research Electronics and Applied Physics van de UMD. "En nu lasers goedkoper en efficiënter worden, verwachten we dat onze techniek de weg zal worden voor onderzoekers op dit gebied."

Het nieuwe werk wordt gemotiveerd door versnellers zoals LCLS, een kilometer lange landingsbaan die elektronen versnelt tot 13,6 miljard elektronvolt (GeV) - de energie van een elektron dat beweegt met 99,9999993% van de snelheid van het licht. De voorganger van LCLS zit achter drie Nobelprijswinnende ontdekkingen over fundamentele deeltjes. Nu is een derde van de oorspronkelijke versneller omgezet in de LCLS, waarbij de supersnelle elektronen worden gebruikt om de krachtigste röntgenlaserstralen ter wereld te genereren. Wetenschappers gebruiken deze röntgenstralen om in atomen en moleculen in actie te kijken en video's van chemische reacties te maken. Deze video's zijn essentiële hulpmiddelen voor het ontdekken van medicijnen, geoptimaliseerde energieopslag, innovatie in elektronica en nog veel meer.

Het versnellen van elektronen tot energieën van tientallen GeV is geen sinecure. De lineaire versneller van SLAC geeft elektronen de duw die ze nodig hebben door middel van krachtige elektrische velden die zich voortplanten in een zeer lange reeks gesegmenteerde metalen buizen. Als de elektrische velden krachtiger waren, zouden ze een bliksemstorm in de buizen veroorzaken en deze ernstig beschadigen. Omdat ze elektronen niet harder kunnen duwen, hebben onderzoekers ervoor gekozen om ze gewoon langer te duwen, waardoor de deeltjes meer landingsbaan krijgen om te versnellen. Vandaar het kilometerlange stuk door Noord-Californië. Om deze technologie op een meer beheersbare schaal te brengen, werkten de UMD- en CSU-teams om elektronen op te voeren tot bijna de lichtsnelheid met behulp van - passend genoeg - licht zelf.

"Het doel is uiteindelijk om elektronenversnellers op GeV-schaal te verkleinen tot een kamer van bescheiden omvang", zegt Jaron Shrock, een afgestudeerde student natuurkunde aan de UMD en mede-eerste auteur van het werk. "Je neemt apparaten op kilometerschaal en je hebt nog een factor 1000 sterker versnellend veld. Dus je neemt kilometerschaal naar meterschaal, dat is het doel van deze technologie."

Het creëren van die sterkere versnellende velden in een laboratorium maakt gebruik van een proces dat laser-wakefield-acceleratie wordt genoemd, waarbij een puls van strak gefocust en intens laserlicht door een plasma wordt gestuurd, een storing veroorzaakt en elektronen meetrekt in zijn kielzog.

"Je kunt je de laserpuls voorstellen als een boot", zegt Bo Miao, een postdoctoraal fellow in de natuurkunde aan de Universiteit van Maryland en mede-eerste auteur van het werk. "Terwijl de laserpuls door het plasma reist, omdat het zo intens is, duwt het de elektronen uit zijn pad, zoals water dat opzij wordt geduwd door de boeg van een boot. Die elektronen draaien rond de boot en verzamelen zich er vlak achter, terwijl ze naar binnen reizen. het kielzog van de pols."

Laser wakefield-versnelling werd voor het eerst voorgesteld in 1979 en gedemonstreerd in 1995. Maar de afstand waarover het elektronen kon versnellen bleef hardnekkig beperkt tot een paar centimeter. Wat het UMD- en CSU-team in staat stelde om wakefield-acceleratie effectiever dan ooit te benutten, was een techniek die het UMD-team pionierde om de hoge-energiestraal te temmen en te voorkomen dat deze zijn energie te dun verspreidt. Hun techniek slaat een gat door het plasma, waardoor een golfgeleider ontstaat die de energie van de straal gefocust houdt.

"Met een golfgeleider kan een puls zich over een veel grotere afstand voortplanten", legt Shrock uit. "We moeten plasma gebruiken omdat deze pulsen zo'n hoge energie hebben, ze zijn zo helder dat ze een traditionele glasvezelkabel zouden vernietigen. Plasma kan niet worden vernietigd, omdat het dat in zekere zin al is."

Hun techniek creëert iets dat lijkt op glasvezelkabels - de dingen die glasvezelinternetdiensten en andere telecommunicatiesignalen vervoeren - uit het niets. Of, meer precies, uit zorgvuldig gevormde stralen waterstofgas.

Een conventionele glasvezelgolfgeleider bestaat uit twee componenten:een centrale "kern" die het licht geleidt en een omringende "bekleding" die voorkomt dat het licht naar buiten lekt. Om hun plasmagolfgeleider te maken, gebruikt het team een ​​extra laserstraal en een straal waterstofgas. Terwijl deze extra "leidende" laser door de straal reist, scheurt hij de elektronen van de waterstofatomen en creëert een plasmakanaal. Het plasma is heet en begint snel uit te zetten, waardoor een plasmakern met een lagere dichtheid ontstaat en een gas met een hogere dichtheid aan de rand, zoals een cilindrische schil. Vervolgens wordt de hoofdlaserstraal (degene die elektronen in zijn kielzog verzamelt) door dit kanaal gestuurd. De voorste rand van deze puls verandert de schaal met hogere dichtheid ook in plasma, waardoor de "bekleding" ontstaat.

"Het is net alsof de allereerste puls een gebied vrijmaakt", zegt Shrock, "en dan komt de hoge intensiteit als een trein naar beneden met iemand die vooraan staat en de rails naar beneden gooit terwijl het gaat."

Met behulp van UMD's optisch gegenereerde plasmagolfgeleidertechniek, gecombineerd met de krachtige laser en expertise van het CSU-team, waren de onderzoekers in staat om sommige van hun elektronen te versnellen tot een duizelingwekkende 5 GeV. Dit is nog steeds een factor 3 minder dan de enorme versneller van SLAC, en niet helemaal het maximum dat wordt bereikt met laserwakefield-acceleratie (die eer behoort toe aan een team van Lawrence Berkeley National Labs). De laserenergie die per GeV versnelling in het nieuwe werk wordt gebruikt, is echter een record, en het team zegt dat hun techniek veelzijdiger is:het kan mogelijk duizenden keren per seconde elektronenbursts produceren (in tegenstelling tot ongeveer één keer per seconde), waardoor het is een veelbelovende techniek voor veel toepassingen, van hoge-energiefysica tot het genereren van röntgenstralen waarmee video's van moleculen en atomen in actie kunnen worden gemaakt, zoals bij LCLS. Nu het team het succes van de methode heeft aangetoond, zijn ze van plan de opstelling te verfijnen om de prestaties te verbeteren en de versnelling naar hogere energieën te vergroten.

"Op dit moment worden de elektronen gegenereerd langs de volledige lengte van de golfgeleider, 20 centimeter lang, waardoor hun energieverdeling niet ideaal is", zegt Miao. "We kunnen het ontwerp verbeteren, zodat we kunnen controleren waar ze precies worden geïnjecteerd, en dan kunnen we de kwaliteit van de versnelde elektronenbundel beter controleren."

Hoewel de droom van LCLS op een tafelblad nog geen realiteit is, zeggen de auteurs dat dit werk een weg vooruit laat zien. "Er moet tussen nu en dan veel techniek en wetenschap worden gedaan", zegt Shrock. "Traditionele versnellers produceren zeer herhaalbare bundels waarbij alle elektronen vergelijkbare energieën hebben en in dezelfde richting reizen. We leren nog steeds hoe we deze bundelattributen kunnen verbeteren in wakefield-versnellers met meerdere GeV-lasers. Het is ook waarschijnlijk dat om energieën te bereiken op de schaal van tientallen GeV, zullen we meerdere wakefield-versnellers moeten faseren, waarbij de versnelde elektronen van de ene fase naar de volgende worden geleid met behoud van de straalkwaliteit. Er is dus een lange weg tussen nu en een LCLS-type faciliteit die vertrouwt op laser-wakefield-versnelling." + Verder verkennen

Plasmagolfgeleiders op meterschaal duwen de omhullende van de deeltjesversneller