Kontrollerad direkt acceleration av elektroner i mycket starka laserfält kan erbjuda en väg mot ultrakompakta acceleratorer. En sådan direkt acceleration kräver likriktning och avkoppling av det oscillerande elektromagnetiska laserfältet från elektronerna på lämpligt sätt. Forskare över hela världen försöker ta sig an denna utmaning. I experiment vid Max Born Institute, direkt laseracceleration av elektroner kunde nu demonstreras och förstås i detalj teoretiskt. Detta koncept är ett viktigt steg mot skapandet av relativistiska och ultrakorta elektronpulser inom mycket korta accelerationsavstånd under en millimeter. Resulterande kompakta elektron och relaterade röntgenkällor har ett brett spektrum av tillämpningar inom spektroskopi, strukturanalys, biomedicinska vetenskaper och för nanoteknik.

Sättet som elektroner kan accelereras upp till relativistiska kinetiska energier i starka laserfält är en grundläggande fråga i fysiken för ljus-materia-interaktion. Även om de elektromagnetiska fälten i en laserpuls tvingar en fri elektron tidigare i vila till oscillationer med extremt höga hastigheter, dessa svängningar upphör igen när ljuspulsen har passerat. En nettoenergiöverföring genom en sådan direkt acceleration av en laddad partikel i laserfältet kan inte ske. Denna grundläggande princip - som ofta diskuteras i fysikprov - är giltig för vissa gränsvillkor för laserpulsens rumsliga utsträckning och intensitet. Endast för särskilt, olika randvillkor, elektroner kan verkligen ta emot en nettoenergiöverföring via acceleration från det starka laserfältet. Dessa villkor kan ställas t.ex. genom fokusering av laserpulsen eller närvaron av starka elektrostatiska fält i ett plasma.

Över hela världen, forskare letar efter lösningar på hur snabbt elektroner kan extraheras från extremt starka laserfält och hur man kan få korta elektronpulser med hög laddningstäthet via ultrakorta laserpulser.

I ljusa fält med relativistisk intensitet (I> 10 ¹⁸ B/cm ² ) elektroner oscillerar med hastigheter nära ljusets hastighet. Den motsvarande kinetiska energin når värden från MeV till GeV (vid I> 10 ²² B/cm ² . Starka ljusfält realiseras genom att fokusera ultrakorta laserpulser med hög energi ner till ytor på några mikrometer. Den resulterande rumsliga intensitetsfördelningen möjliggör redan acceleration av elektronerna upp till höga kinetiska energier. Denna process är känd som ponderomotiv acceleration. Det är en väsentlig process för samspelet mellan starka ljusfält och materia. Olika teoretiska studier, dock, har förutspått att antalet elektroner och deras kinetiska energi kan ökas ytterligare avsevärt genom en direkt acceleration i laserfältet, men bara om elektron-ljusinteraktionen avbryts på ett riktigt skräddarsytt sätt. Dessa överväganden var utgångspunkten för experimenten av Julia Braenzel och hennes kollegor vid Max Born Institute.

I experimenten vid MBI, elektronerna frikopplades från ljuspulsen vid ett visst ögonblick, med hjälp av en separatorfolie som är ogenomskinlig för laserljuset men som kan överföra snabba elektroner. Vi skulle kunna visa att denna metod leder till en ökning av antalet elektroner med höga hastigheter. I början, en 70 TW Ti:Sapphire laserpuls (2 J @ 35 fs) bestrålar en 30 - 100 nm tunn målfolie bestående av en PVF-polymer. I laserns utbredningsriktning, cirka 109 elektroner accelereras upp till flera MeV-energi via den ponderomotoriska kraften. Under denna interaktion är folien nästan helt joniserad och omvandlas till plasma.

För tillräckligt tunna målfolietjocklekar under 100 nm kan en bråkdel av det infallande laserljuset sändas genom plasman. Det transmitterade ljuset börjar passera de elektroner som redan sänds ut i denna riktning. Detta motsvarar en kvasi-intrinsiskt synkroniserad injektion av långsamma elektroner i de sända, men fortfarande relativistiskt laserfält ( <8 x 10 ¹⁸ B/cm ² ). Om en andra tunn separatorfolie placeras på rätt avstånd bakom den första, förstärkning i elektronsignalen för ett visst energiintervall observeras. Fig. 1a) visar ett schema över den tidsmässiga utvecklingen i experimentet och Fig. 1b) visar en direkt jämförelse av den detekterade elektronspektralfördelningen för en enkelfolie- och en dubbelfoliekonfiguration, där den andra folien fungerar som en separator. Denna folie är ogenomskinlig för laserljuset men är transparent för de snabba elektronerna och möjliggör därför en frikoppling av båda. Tiden då interaktionen mellan elektroner och genomsläppt ljus avbryts beror på avståndet mellan de två folierna.

Experimenten utförda i gruppen av Matthias Schnürer visar att en förstärkning av elektronsignalen kan erhållas och maximeras för ett visst avstånd. Förstärkningen försvinner på mycket stora avstånd. Många mätningar såväl som numeriska simuleringar bekräftade hypotesen att elektroner med hög kinetisk energi verkligen kan extraheras ur ljusfältet om de är frånkopplade på lämpligt sätt. Om separatorfolierna är placerade i ett optimerat läge, långsamma elektroner med kinetisk energi under 100 keV accelereras till ungefär tio gånger högre kinetisk energi. Denna effekt leder till en koncentration av elektroner i ett smalt energiintervall. I motsats till experiment som använder de olika mekanismerna för laservakenfältacceleration, där produktionen av GeV-elektroner redan har visats, den direkta laseraccelerationen som visas här kan skalas upp till höga laserintensiteter och höga plasmadensiteter. Utöver den grundläggande insikten i interaktioner mellan laser och materia, den direkta laseraccelerationen som visas i detta arbete lovar det framtida förverkligandet av kompakta källor för relativistiska elektroner.