Forskare som utnyttjar exakt kontroll av ultrasnabba lasrar har accelererat elektroner över en 20-centimeters sträcka till hastigheter som vanligtvis är reserverade för partikelacceleratorer storleken på 10 fotbollsplaner.

Ett team vid University of Maryland (UMD) ledd av professor i fysik och elektro- och datateknik Howard Milchberg, i samarbete med teamet av Jorge J. Rocca vid Colorado State University (CSU), uppnådde denna bedrift med två laserpulser som skickades genom en vätgasstråle. Den första pulsen slet isär vätet, slog ett hål genom det och skapade en plasmakanal. Den kanalen styrde en andra puls med högre effekt som tog upp elektroner ur plasman och drog med dem i dess spår, och accelererade dem till nästan ljusets hastighet under processen.

Med denna teknik accelererade teamet elektroner till nästan 40 % av energin som uppnåddes vid massiva anläggningar som den kilometerlånga Linac Coherent Light Source (LCLS), acceleratorn vid SLAC National Accelerator Laboratory. Uppsatsen godkändes till tidskriften Physical Review X den 1 augusti 2022.

"Detta är den första multi-GeV elektronacceleratorn som drivs helt av lasrar", säger Milchberg, som också är knuten till Institute of Research Electronics and Applied Physics vid UMD. "Och med lasrar som blir billigare och effektivare, förväntar vi oss att vår teknik kommer att bli vägen att gå för forskare inom detta område."

Att motivera det nya arbetet är acceleratorer som LCLS, en kilometerlång landningsbana som accelererar elektroner till 13,6 miljarder elektronvolt (GeV) – energin hos en elektron som rör sig med 99,99999993 % av ljusets hastighet. LCLS föregångare ligger bakom tre Nobelprisbelönta upptäckter om fundamentala partiklar. Nu har en tredjedel av den ursprungliga acceleratorn omvandlats till LCLS, med hjälp av dess supersnabba elektroner för att generera de mest kraftfulla röntgenlaserstrålarna i världen. Forskare använder dessa röntgenstrålar för att titta in i atomer och molekyler i aktion och skapa videor av kemiska reaktioner. Dessa videor är viktiga verktyg för läkemedelsupptäckt, optimerad energilagring, innovation inom elektronik och mycket mer.

Att accelerera elektroner till energier på tiotals GeV är ingen lätt bedrift. SLAC:s linjäraccelerator ger elektroner den push de behöver med hjälp av kraftfulla elektriska fält som fortplantar sig i en mycket lång serie av segmenterade metallrör. Om de elektriska fälten var mer kraftfulla skulle de sätta igång en åskstorm inuti rören och skada dem allvarligt. Eftersom de inte kan pressa elektroner hårdare, har forskare valt att helt enkelt trycka på dem längre, vilket ger mer bana för partiklarna att accelerera. Därav den kilometerlånga skivan över norra Kalifornien. För att få den här tekniken till en mer hanterbar skala arbetade UMD- och CSU-teamen för att öka elektronerna till nästan ljusets hastighet med hjälp av – passande nog – själva ljuset.

"Målet i slutändan är att krympa elektronacceleratorer i GeV-skala till ett rum av blygsam storlek", säger Jaron Shrock, doktorand i fysik vid UMD och medförfattare till arbetet. "Du tar enheter i kilometerskala, och du har ytterligare en faktor 1 000 starkare accelerationsfält. Så, du tar kilometerskala till meterskala, det är målet med den här tekniken."

Att skapa de starkare accelererande fälten i ett labb använder en process som kallas laservakfältsacceleration, där en puls av hårt fokuserat och intensivt laserljus skickas genom ett plasma, vilket skapar en störning och drar elektroner med i dess spår.

"Du kan föreställa dig laserpulsen som en båt", säger Bo Miao, en postdoktor i fysik vid University of Maryland och medförfattare till arbetet. "När laserpulsen färdas i plasman, eftersom den är så intensiv, trycker den elektronerna ur sin väg, som vatten som trycks undan av fören på en båt. Dessa elektroner slingrar sig runt båten och samlas precis bakom den och färdas in i pulsen är vaken."

Laservågfältsacceleration föreslogs först 1979 och demonstrerades 1995. Men avståndet över vilket det kunde accelerera elektroner förblev envist begränsat till ett par centimeter. Det som gjorde det möjligt för UMD- och CSU-teamet att utnyttja wakefield-acceleration mer effektivt än någonsin tidigare var en teknik som UMD-teamet var pionjärer för att tämja högenergistrålen och hindra den från att sprida sin energi för tunn. Deras teknik slår ett hål genom plasman och skapar en vågledare som håller strålens energi fokuserad.

"En vågledare tillåter en puls att fortplanta sig över ett mycket längre avstånd," förklarar Shrock. "Vi måste använda plasma eftersom dessa pulser har så hög energi, de är så ljusa att de skulle förstöra en traditionell fiberoptisk kabel. Plasma kan inte förstöras eftersom det i någon mening redan är det."

Deras teknik skapar något som liknar fiberoptiska kablar – de saker som bär fiberoptiska internettjänster och andra telekommunikationssignaler – ur tomma intet. Eller, mer exakt, av noggrant skulpterade strålar av vätgas.

En konventionell fiberoptisk vågledare består av två komponenter:en central "kärna" som styr ljuset och en omgivande "beklädnad" som förhindrar ljuset från att läcka ut. För att göra sin plasmavågledare använder teamet en extra laserstråle och en vätgasstråle. När denna extra "styrande" laser färdas genom strålen, river den av elektronerna från väteatomerna och skapar en plasmakanal. Plasman är varm och börjar snabbt expandera, vilket skapar en plasma-"kärna" med lägre densitet och en gas med högre densitet på kanten, som ett cylindriskt skal. Sedan sänds huvudlaserstrålen (den som samlar elektroner i dess spår) genom denna kanal. Själva framkanten av denna puls förvandlar skalet med högre densitet till plasma också, vilket skapar "beklädnaden".

"Det är ungefär som att den allra första pulsen rensar ett område", säger Shrock, "och sedan faller den högintensiva pulsen ner som ett tåg med någon som står längst fram och kastar ner spåren medan den går."

Med hjälp av UMD:s optiskt genererade plasmavågledarteknik, kombinerat med CSU-teamets kraftfulla laser och expertis, kunde forskarna accelerera några av sina elektroner till häpnadsväckande 5 GeV. Detta är fortfarande en faktor 3 mindre än SLAC:s massiva accelerator, och inte riktigt det maximala som uppnås med laservågfältsacceleration (den äran tillhör ett team på Lawrence Berkeley National Labs). Laserenergin som används per GeV av acceleration i det nya arbetet är dock rekord, och teamet säger att deras teknik är mer mångsidig:den kan potentiellt producera elektronskurar tusentals gånger per sekund (i motsats till ungefär en gång per sekund), vilket gör det är en lovande teknik för många tillämpningar, från högenergifysik till generering av röntgenstrålar som kan ta videor av molekyler och atomer i aktion som vid LCLS. Nu när teamet har visat framgången med metoden planerar de att förfina installationen för att förbättra prestandan och öka accelerationen till högre energier.

"Just nu genereras elektronerna längs hela vågledarens längd, 20 centimeter lång, vilket gör deras energifördelning mindre än idealisk", säger Miao. "Vi kan förbättra designen så att vi kan kontrollera var de injiceras exakt, och sedan kan vi bättre kontrollera kvaliteten på den accelererade elektronstrålen."

Även om drömmen om LCLS på en bordsskiva ännu inte är verklighet, säger författarna att detta arbete visar en väg framåt. "Det finns mycket teknik och vetenskap att göra mellan nu och då," säger Shrock. "Traditionella acceleratorer producerar mycket repeterbara strålar med alla elektroner som har liknande energier och som rör sig i samma riktning. Vi lär oss fortfarande hur vi kan förbättra dessa strålattribut i multi-GeV laservågfältsacceleratorer. Det är också troligt att för att uppnå energier på skalan av tiotals GeV, kommer vi att behöva iscensätta flera wakefield-acceleratorer, för att överföra de accelererade elektronerna från ett steg till nästa samtidigt som strålkvaliteten bevaras. Så det är en lång väg mellan nu och att ha en anläggning av LCLS-typ som förlitar sig på laservågfältsacceleration." + Utforska vidare

Plasmavågledare i meterskala pressar partikelacceleratorns enveloppe