En Japan-baserad forskargrupp ledd av Osaka University visade flera skarpa, ultrakorte laserpulser som lovar nya typer av protonstrålsystem som potentiellt kan vara användbara inom områden som cancerbehandling. Genom att kombinera pulserna för att effektivt skapa längre pulser, laddade partiklar med hög energi kan produceras vid laserintensiteter 100 gånger mindre än vad som förutspåtts av tidigare teoretiska modeller. Dessa fynd ger insikter om byggandet av mer effektiva balkanläggningar.

Strålar av laddade partiklar som protoner används för att svara på grundläggande fysikfrågor och har praktiska tillämpningar inom både cancerterapi och fusionskraft. Ett sätt att generera de laddade partiklarna för sådana strålar var genom att rikta kraftfulla lasrar mot metallfolier tunnare än ett människohår. Metallen släpper sedan ut laddade partiklar. Nuvarande processer använder folier 100 gånger tunnare än ett människohår-på detta sätt kan högintensivt laserljus driva elektronerna som det träffar till nära ljushastigheter.

Forskare har hittills bara använt mycket korta laserstrålar, var och en varar bara en picosekund. När pulserna används, de försöker minimera mängden bakgrundsljus för att skapa skarpa (dvs. hög kontrast) ljuspulser. Målet är att öka energin hos de laddade partiklarna och uppnå strålar där alla partiklar har mycket liknande energier. Strålar med högre energi där energin för varje partikel exakt är känd är mer användbara, både inom forskning och medicin. Även om pulserande lasrar har visat lovande på detta område, tills nyligen, effekten av skarpa laserpulser längre än en pikosekund var okänd.

Nu, en japanbaserad forskargrupp som är centrerad vid Osaka University har genomfört en mer detaljerad studie om användningen av sådana laserpulser. De använde skarpa, ultrakorta pulser av laserljus från Laser for Fast Ignition Experiment (LFEX) vid Osaka University. LFEX är en av världens mest kraftfulla lasrar. Teamets studie publicerades nyligen i Nature journal Vetenskapliga rapporter .

LFEX har fyra extremt kraftfulla laserstrålar. Forskarna använde speglar för att fokusera laserljuset till en punkt som storleken på en dammpartikel. Detta ljus riktades mot ett ultratunt stycke aluminiumfolie för att generera ett moln av laddade partiklar, kallas plasma. Varje laserstråle är 1018 gånger mer intensiv än solljus. Generellt kan en sådan intensiv kraft endast genereras under en mycket kort tidsperiod; en utmaning bakom varför skarpa laserpulser längre än en pikosekund ännu inte hade studerats.

"Genom att noggrant sätta in avfyrningen av de fyra strålarna var det möjligt för oss att effektivt avfyra var och en i följd för att generera längre pulser som annars hade samma skarpa egenskaper som enstaka pulser, ", säger studiemedförfattaren Hiroshi Azechi.

Resultaten utmanar konventionella teoretiska modeller. Forskarna fann att med sitt pulserande ljus, 100 gånger mindre intensivt laserljus än man tidigare trott är nödvändigt för att producera högenergiladdade partiklar.

"Att använda flera pulser för att skapa en längre puls värmer upp elektronplasma betydligt, vilket är troligtvis det som gör att de laddade partiklarna uppnår en högre energi vid en lägre laserintensitet, "säger författaren Akifumi Yogo.

Att förstå hur man skapar mer effektiva laddade partikelstrålar är en potentiell nyckel till att utveckla en ny generation partikelstrålar som kan främja kunskap om fysik och ge bättre precisionsverktyg inom det medicinska området.