En av lasrarna vid Extreme Light Laboratory vid University of Nebraska-Lincoln, där ett nyligen genomfört experiment accelererade elektroner till nära ljusets hastighet. Kredit:University of Nebraska-Lincoln
I ett nyligen genomfört experiment vid University of Nebraska–Lincoln, plasmaelektroner i banorna för intensiva laserljuspulser accelererades nästan omedelbart nära ljusets hastighet.
Fysikprofessor Donald Umstadter, som ledde forskningsexperimentet som bekräftade tidigare teori, sa att den nya applikationen lämpligen kan kallas en "optisk raket" på grund av den enorma kraft som ljuset utövade i experimentet. Elektronerna utsattes för en kraft nästan en biljon biljoner gånger större än den som kändes av en astronaut som skickades ut i rymden.
"Denna nya och unika tillämpning av intensivt ljus kan förbättra prestandan hos kompakta elektronacceleratorer, " sade han. "Men den nya och mer allmänna vetenskapliga aspekten av våra resultat är att appliceringen av ljusets kraft resulterade i direkt acceleration av materia."
Den optiska raketen är det senaste exemplet på hur krafter som utövas av ljus kan användas som verktyg, sa Umstadter.
Ljus med normal intensitet utövar en liten kraft när det reflekterar, sprids eller absorberas. En föreslagen tillämpning av denna kraft är ett "lätt segel" som kan användas för att driva fram rymdfarkoster. Men eftersom ljuskraften är ytterst liten i detta fall, det skulle behöva utövas kontinuerligt i flera år för att rymdfarkosten ska nå hög hastighet.
Grigory Golovin. Kredit:University of Nebraska-Lincoln
En annan typ av kraft uppstår när ljus har en intensitetsgradient. En tillämpning av denna ljuskraft är en "optisk pincett" som används för att manipulera mikroskopiska föremål. Här igen, kraften är ytterst liten.
I Nebraska-experimentet, laserpulserna fokuserades i plasma. När elektroner i plasman drevs ut från ljuspulsernas vägar av deras gradientkrafter, plasmavågor drevs i pulsernas spår, och elektroner tilläts fånga wakefield-vågorna, vilket ytterligare accelererade elektronerna till ultrarelativistisk energi. Den nya tillämpningen av intensivt ljus ger ett sätt att kontrollera den inledande fasen av wakefield-acceleration och förbättra prestandan hos en ny generation av kompakta elektronacceleratorer, som förväntas bana väg för en rad tillämpningar som tidigare var opraktiska på grund av den enorma storleken på konventionella acceleratorer.
I den här konstnärens uppfattning om Nebraska-experimentet, de vita kloten representerar två laserpulser, med plasmavågor i kölvattnet. Vågorna interfererar med varandra efter att laserpulserna korsar varandra, och elektroner rider vakna fältvågor till högre energi. Kredit:University of Nebraska-Lincoln
Den experimentella forskningen utfördes av studenter och forskare vid Nebraska, med senior forskarassistent Grigoroy Golovin som huvudförfattare på tidningen som rapporterar det nya resultatet. Finansieringen tillhandahölls av National Science Foundation.
Experimentet baserades på numerisk modellering av forskare från Shanghai Jiao Tong University i Kina. Umstadter förutspådde teoretiskt den underliggande mekanismen för två decennier sedan. Resultaten rapporterades i september i tidskriften Fysiska granskningsbrev .
