Изображение из моделирования, в котором лазерный импульс (красный) возбуждает плазменную волну, ускоряя электроны в своем следе. Ярко-желтое пятно — это область с наибольшей концентрацией электронов. В эксперименте ученые использовали эту технику для ускорения электронов почти до скорости света на расстоянии всего 20 сантиметров. Кредит: Бо Мяо / IREAP

Ученые, использующие точное управление сверхбыстрыми лазерами, разогнали электроны на 20-сантиметровом участке до скоростей, обычно предназначенных для ускорителей частиц размером с 10 футбольных полей.

Команда Университета штата Мэриленд (UMD) под руководством профессора физики, электротехники и вычислительной техники Говарда Мильхберга в сотрудничестве с командой Хорхе Дж. Рокка из Университета штата Колорадо (CSU) добилась этого успеха, используя два лазерных импульса, отправленных через струю газообразного водорода. Первый импульс разорвал водород, проделав в нем дыру и создав канал плазмы. Этот канал направлял второй, более мощный импульс, который выхватывал электроны из плазмы и увлекал их за собой, разгоняя их почти до скорости света.

С помощью этого метода команда ускорила электроны почти до 40% энергии, достигнутой на массивных объектах, таких как километровый источник когерентного света Linac (LCLS), ускоритель в Национальной ускорительной лаборатории SLAC. Статья была принята в журнал Physical Review X 1 августа 2022 года.

«Это первый ускоритель электронов на несколько ГэВ, работающий исключительно на лазерах», — говорит Мильхберг, который также работает в Институте исследовательской электроники и прикладной физики UMD. «А поскольку лазеры становятся все дешевле и эффективнее, мы ожидаем, что наша техника станет тем способом, которым смогут воспользоваться исследователи в этой области».

Мотивацией для новой работы являются ускорители, такие как LCLS, километровая взлетно-посадочная полоса, которая ускоряет электроны до 13,6 миллиардов электрон-вольт (ГэВ) — энергии электрона, движущегося со скоростью 99,99999993% скорости света. Предшественник LCLS стоит за тремя открытиями фундаментальных частиц, получившими Нобелевскую премию. Теперь треть исходного ускорителя была преобразована в LCLS, использующую его сверхбыстрые электроны для генерации самых мощных рентгеновских лазерных лучей в мире. Ученые используют эти рентгеновские лучи, чтобы заглянуть внутрь атомов и молекул в действии, создавая видеоролики о химических реакциях. Эти видеоролики являются жизненно важными инструментами для открытия лекарств, оптимизации хранения энергии, инноваций в электронике и многого другого.

Ускорение электронов до энергий в десятки ГэВ — непростая задача. Линейный ускоритель SLAC дает электронам необходимый толчок, используя мощные электрические поля, распространяющиеся в очень длинном ряду сегментированных металлических трубок. Если бы электрические поля были более мощными, они вызвали бы грозу внутри трубок и серьезно их повредили. Не имея возможности толкать электроны сильнее, исследователи решили просто подталкивать их дольше, предоставляя частицам больше взлетно-посадочной полосы для ускорения. Отсюда и километровый срез северной Калифорнии. Чтобы довести эту технологию до более управляемого масштаба, команды UMD и CSU работали над ускорением электронов почти до скорости света, используя — что вполне уместно — сам свет.

«В конечном счете цель состоит в том, чтобы сжать ускорители электронов с масштабом ГэВ до комнаты скромных размеров», — говорит Джарон Шрок, аспирант по физике в UMD и соавтор работы. «Вы берете устройства километрового масштаба, и у вас есть еще в 1000 раз более сильное ускоряющее поле. Итак, вы переводите километровый масштаб в метровый масштаб, это цель этой технологии».

Для создания этих более сильных ускоряющих полей в лаборатории используется процесс, называемый ускорением лазерного кильватерного поля, при котором импульс сильно сфокусированного и интенсивного лазерного света направляется через плазму, создавая возмущение и увлекая за собой электроны.

«Вы можете представить лазерный импульс как лодку», — говорит Бо Мяо, научный сотрудник с докторской степенью по физике в Университете Мэриленда и соавтор работы. «Когда лазерный импульс движется в плазме, поскольку он настолько интенсивен, он отталкивает электроны со своего пути, как воду, отталкиваемую носом лодки. Эти электроны образуют петлю вокруг лодки и собираются прямо за ней, путешествуя по пробуждение пульса».

Ускорение лазерным кильватерным полем было впервые предложено в 1979 году и продемонстрировано в 1995 году. Но расстояние, на которое оно могло разгонять электроны, оставалось упорно ограниченным парой сантиметров. Что позволило команде UMD и CSU использовать ускорение кильватерного поля более эффективно, чем когда-либо прежде, так это метод, впервые предложенный командой UMD, чтобы укротить высокоэнергетический луч и не дать ему слишком тонко рассеивать свою энергию. Их техника пробивает дыру в плазме, создавая волновод, который удерживает энергию луча в фокусе.

«Волновод позволяет импульсу распространяться на гораздо большее расстояние, — объясняет Шрок. «Нам нужно использовать плазму, потому что эти импульсы такой высокой энергии, они такие яркие, что они могут разрушить традиционный оптоволоконный кабель. Плазму нельзя разрушить, потому что в каком-то смысле она уже есть».

Их техника создает что-то вроде волоконно-оптических кабелей — вещей, которые передают оптоволоконный интернет и другие телекоммуникационные сигналы — из воздуха. Или, точнее, из тщательно вылепленных струй газообразного водорода.

Обычный волоконно-оптический волновод состоит из двух компонентов: центральной «сердцевины», направляющей свет, и окружающей «оболочки», предотвращающей утечку света. Для создания плазменного волновода команда использует дополнительный лазерный луч и струю газообразного водорода. Когда этот дополнительный «направляющий» лазер проходит через струю, он отрывает электроны от атомов водорода и создает канал плазмы. Плазма горячая и быстро начинает расширяться, создавая «ядро» плазмы с более низкой плотностью и газ с более высокой плотностью на его краю, как цилиндрическую оболочку. Затем по этому каналу направляется основной лазерный луч (тот, который будет собирать электроны на своем пути). Самый передний край этого импульса также превращает оболочку более высокой плотности в плазму, создавая «оболочку».

«Это похоже на то, как будто самый первый импульс очищает область, — говорит Шрок, — а затем импульс высокой интенсивности идет вниз, как поезд, в котором кто-то стоит впереди и сбрасывает рельсы на ходу».

Используя технологию UMD с оптическим плазменным волноводом в сочетании с мощным лазером и опытом команды CSU, исследователи смогли разогнать некоторые из своих электронов до ошеломляющих 5 ГэВ. Это все еще в 3 раза меньше, чем у массивного ускорителя SLAC, и не совсем максимум, достигнутый с помощью лазерного кильватерного ускорения (эта честь принадлежит команде Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли). Тем не менее лазерная энергия, используемая на ГэВ ускорения в новой работе, является рекордной, и команда говорит, что их метод более универсален: потенциально он может производить электронные вспышки тысячи раз в секунду (в отличие от примерно одного раза в секунду), что делает это многообещающим для многих применений, от высоких энергийфизики до генерации рентгеновских лучей, которые могут снимать молекулы и атомы в действии, как в LCLS. Теперь, когда команда продемонстрировала успех метода, они планируют усовершенствовать установку, чтобы повысить производительность и увеличить ускорение до более высоких энергий.

«Сейчас электроны генерируются по всей длине волновода длиной 20 сантиметров, что делает распределение их энергии далеким от идеального», — говорит Мяо. «Мы можем улучшить конструкцию, чтобы мы могли точно контролировать, куда они вводятся, и тогда мы сможем лучше контролировать качество пучка ускоренных электронов».

Хотя мечта о LCLS на столе еще не стала реальностью, авторы говорят, что эта работа показывает путь вперед. «Сейчас и потом нужно сделать много инженерных и научных работ», — говорит Шрок. «Традиционные ускорители производят пучки с высокой повторяемостью, в которых все электроны имеют одинаковую энергию и движутся в одном направлении. Мы все еще изучаем, как улучшить эти характеристики пучка в лазерных ускорителях с кильватерным полем на несколько ГэВ. Также вероятно, что для достижения энергий в масштабе десятки ГэВ, нам нужно будет установить несколько ускорителей кильватерного поля, передавая ускоренные электроны с одной ступени на другую, сохраняя при этом качество пучка.Так что между настоящим моментом и созданием установки типа LCLS, основанной на лазере, предстоит пройти долгий путь ускорения кильватерного поля».