Skina en kraftfull laser på en solid, och du får en stråle av högenergiprotoner. Långt ifrån att vara en nyfikenhet, detta fenomen har viktiga tillämpningar, som i neutrongenerationsforskning. Teoretiskt sett ju mer intensiv lasern är, desto snabbare (med andra ord, mer energisk) de resulterande protonerna. Dock, vi verkar nyligen ha träffat en vägg, med starkare lasrar som inte ger den förväntade accelerationen.

Problemet uppstår när man försöker pressa protonenergierna bortom cirka 100 mega-elektronvolt. Fram till den tiden, energierna skala fint med laserintensiteterna, så att en enkel formel kan förutsäga utmatningen från ingången. Vid högre intensiteter, fastän, teorin går sönder, och överskattar avsevärt strålenergin, av skäl inte helt förstått. Nu, i en Naturkommunikation studie, ett internationellt team av forskare under ledning av Osaka University har avslöjat en bit av pusslet.

Protonacceleration är verkligen en sekundär effekt av laserbombardering. Initialt, lasern driver ut elektroner från det tunna fasta målet. Närmar sig ljusets hastighet, dessa elektroner skapar sedan ett kraftfullt elektriskt fält, känd som ett mantelfält, och det är detta som accelererar de närliggande protonerna. Dock, Osaka -forskarna insåg att tidigare teorier förbises en avgörande stötesten:magnetism.

"Höljet bildar effektivt en sluttning, och protonerna accelererar genom denna lutning i rät vinkel mot målet, "förklarar studieförfattaren Motoaki Nakatsutsumi." Tyvärr, elektronerna som bygger höljet genererar också en ström, som ger upphov till ett magnetfält, kallas ett B-fält. Denna magnetism äventyrar hela processen genom att fånga elektroner på målytan. Medan, protoner avböjs från slidan. "

Självhämning förvärras gradvis vid högre lasereffekter, skapa B-fält så starka som 100 mega-gauss. Protonerna blir därför mindre energiska och sprider sig mycket, som teamet bekräftade i experiment.

Med hjälp av simuleringar, laget undersökte två strategier för att minimera denna effekt. Märker att B-fältet tar lite tid att nå maximal styrka, de föreställde sig att extremt korta laserpulser kan tillåta protonerna att överträffa den. Detta fungerar upp till en punkt. Dock, beräkningar visade att även pulser snabbare än 100 femtosekunder inte skulle förhindra magnetisk inhibering när de mest intensiva lasrarna användes.

Deras andra idé var att använda mycket tunnare fasta mål än storleken på laserpunkten, vilket försvagar effekten av B-fält på elektronbanorna. Tyvärr, måltjockleken är begränsad av laserprofilen, så att vi måste öka laserfläckstorleken, som kräver mer laserenergi, t.ex., dyrare lasersystem.

"Magnetisk hämning kan vara en allvarlig flaskhals för en rad metoder för partikelacceleration, "Nakatsutsumi förutspår." Det är inte bara lasrar - strålningsacceleration kan också påverkas. Hittills har vi inte hittat en enkel åtgärd. Dock, detta är ett innovativt forskningsområde, och jag tvivlar inte på att hindret kan övervinnas. Våra insikter om hämningsmekanismen kommer förhoppningsvis att vara en fast grund för lösningen. "