University of California San Diego-forskare har beräkningar för hur man skapar högintensiva vridna laserstrålar-en smak av laserpuls som världen troligen aldrig har sett. Dessa forskare har också gjort matte om hur man använder dessa korkskruvformade laserpulser för att göra banbrytande forskning. Till sist, de har förutsägelser om hur de material som de planerar att "borra" i med korkskruv ljuspulser kommer att reagera.

För närvarande, allt detta arbete lever inom områdena teori och superdator simuleringar. Men det är på väg att förändras, tack vare finansiering från National Science Foundation (NSF). Ett nytt anslag kommer att tillåta UC San Diego-forskare att samarbeta med experimentalister och faktiskt köra experiment som undersöker interaktioner mellan högintensivt vridet ljus och materia vid Europas nya, banbrytande anläggningar för Extreme Light Infrastructure (ELI) i Rumänien och Tjeckien. Detta är det första NSF-anslaget för att finansiera USA-baserade forskare för att testa sitt teoretiska arbete vid ELI-anläggningar.

Alexey Arefiev, en professor i mekanisk och rymdteknik vid UC San Diego, är Principal Investigator på det treåriga NSF-bidraget. Huvuddelen av det experimentella arbetet kommer att göras vid Extreme Light Infrastructure for Nuclear Physics (ELI-NP) i Rumänien, som nyligen hade premiär för sitt 10 Petawatt högeffektlasersystem.

"Det är väldigt svårt att göra högintensivt vridet ljus. Konventionella metoder för att vrida ljus är inte tillämpliga, ", sa Arefiev. "Vi är glada över att ha dessa möjligheter. Du måste experimentellt testa ditt teoretiska arbete, eftersom detta är det enda sättet att förbättra din förståelse för hur naturen faktiskt fungerar."

Grundläggande insikter för kärnfysik och astrofysik skulle kunna komma från detta arbete. Forskningen kan också leda till insikter som är användbara för icke-invasiva tumörterapier. I synnerhet:det vridna ljuset kan användas för att förbättra de jonstråleegenskaper som behövs för protonterapier.

"I åratal, Alexey Arefiev har legat i framkant av modelleringsarbetet av interaktioner mellan ljus och materia vid extrem intensitet. Möjligheten att testa detta teoretiska arbete kommer att flytta hela fältet av ljusmaterialinteraktioner med extrema intensiteter framåt. Detta är ett bra exempel på det bästa som internationella forskningssamarbeten kan erbjuda, "sa Vyacheslav (Slava) Lukin, en programdirektör för Plasma Physics -programmet vid National Science Foundation.

Det unika samarbetet växte fram ur ett amerikanskt utrikesdepartements ansträngningar att uppmuntra internationellt vetenskapligt samarbete genom en US-ELI-dialog.

UC San Diego-teamet kommer att samarbeta med ett team som leds av Dan Stutman, en forskare vid Johns Hopkins University som också är seniorvetare och chef för kärnfysiska laserexperiment vid ELI-NP. Det teoretiska arbetet vid UC San Diego kommer också att hjälpa till att vägleda och jämföra pågående forskning om högintensivt och högenergiskt vriden ljus vid laseranläggningarna ELI-NP och CETAL-PW i Rumänien-arbete som leds av Stutman och finansieras av Rumänska ministeriet för forskning och innovation.

Korkskruv Laserpulser

Den teoretiska färdplanen för att skapa korkskruvsljuset bygger på arbete utfört av Yin Shi, en postdoktoral forskare i Arefievs Relativistic Laser-Plasma Simulation Group vid UC San Diego Jacobs School of Engineering och en tidigare mottagare av Newton International Fellowship från Royal Society (UK).

"Vi ska äntligen ta reda på vad vi gör och förstår inte om korkskruvljus. Denna chans att faktiskt skapa, studera och testa dessa speciella laserpulser är en otrolig möjlighet både intellektuellt och när det gäller min karriär, "sa Shi." Jag ser fram emot att få ut det mesta av ELI -lasrar och forskargrupper. "

När korkskruvljuset genereras, Arefiev och hans team kommer att arbeta med experimentalister för att säkerställa att dessa högintensiva laserpulser interagerar med materialen de sonderar på sätt som genererar magnetfält som aldrig tidigare har producerats. Detta innebär att se till att det orbitala vinkelmomentet som ger dessa ultrakorta pulser deras korkskruvsform faktiskt överförs till plasmamaterialet.

Till sist, teamet har förutsägelser om hur magnetfälten kommer att påverka jonernas dynamik.

"Det finns så mycket fysik som ännu inte har upptäckts. Det finns så mycket vi inte vet om hur laserpulser med orbital rörelsemängd kommer att bete sig, hur den orbitala vinkelmomentet överförs till plasmamaterial, och hur det kommer att påverka jontransport, "sa Arefiev." Livet är fullt av överraskningar, detta experimentella arbete kan leda till många nya upptäckter. "