Wetenschap
Onderzoekers genereren supersnelle elektronen met tafellasersystemen
In massieve deeltjesversnellers worden subatomaire deeltjes (zoals elektronen) versneld tot superhoge snelheden vergelijkbaar met de lichtsnelheid naar een doeloppervlak. De botsing van versnelde subatomaire deeltjes geeft aanleiding tot unieke interacties die wetenschappers in staat stellen een dieper inzicht te krijgen in de fundamentele eigenschappen van materie.
Conventioneel vereisen lasergebaseerde deeltjesversnellers dure lasers (tussen de 1 en 20 miljoen dollar) en zijn ze ondergebracht in enorme nationale faciliteiten. Een zo complexe opstelling is in staat elektronen te versnellen tot mega-elektronvolt-energieën (MeV). Maar kan een eenvoudigere laser, die slechts een klein deel van de momenteel gebruikte lasers kost, worden gebruikt voor het ontwerpen van vergelijkbare schema's voor deeltjesversnelling?
In een opwindende sprong hebben wetenschappers van het Tata Institute of Fundamental Research, Hyderabad (TIFRH) een elegante oplossing ontworpen om met succes MeV (10 6 eV) temperatuurelektronen op slechts een fractie (100 keer kleiner) van de laserintensiteit die voorheen noodzakelijk werd geacht.
De bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift Communications Physics .
De techniek implementeert twee laserpulsen; eerst om een kleine, gecontroleerde explosie in een microdruppeltje te creëren, gevolgd door een tweede puls om elektronen te versnellen tot mega-elektronvolt (MeV) energieën. Wat nog spannender is, is dat ze dit hebben bereikt met een laser die 100 keer minder is dan wat eerder nodig werd geacht, waardoor deze toegankelijker en veelzijdiger wordt voor toekomstig onderzoek. De implicaties van deze ontdekking kunnen dramatisch zijn vanwege het vermogen om hoogenergetische elektronenbundels te produceren voor toepassingen die variëren van niet-destructief onderzoek, beeldvorming, tomografie en microscopie en die de materiaalwetenschap tot de biologische wetenschappen kunnen beïnvloeden.
De door TIFRH-onderzoekers ontwikkelde opstelling maakt gebruik van een laser van millijouleklasse, die met een snelheid van 1.000 pulsen per seconde afvuurt met ultrakorte pulsen van 25 fs, en wordt gebruikt om microdruppels met een diameter van 15 µm dynamisch te beitelen. Bij deze dynamische doelvorming zijn twee laserpulsen betrokken die achter elkaar werken. De eerste puls creëert een concaaf oppervlak in de vloeistofdruppel, en de tweede puls drijft elektrostatische plasmagolven aan, waardoor elektronen naar MeV-energieën worden gestuwd.
Elektrostatische golven zijn trillingen in plasma en lijken veel op de mechanische verstoringen die in een watervijver ontstaan als je door een steen gaat. Hier veroorzaakt de laser verstoringen in de zee van elektronen en genereert een "elektronentsunami" die breekt en elektronen met hoge energie geeft, vergelijkbaar met het plonsen van een golf aan de zeekust. Het proces genereert niet één maar twee elektronenbundels, elk met verschillende temperatuurcomponenten:200 keV en 1 MeV.
Deze innovatie produceert gerichte elektronenbundels van meer dan 4 MeV met een laser die op een tafelblad past, waardoor het een game-changer is voor tijdsopgeloste, microscopische studies op diverse wetenschappelijke gebieden.