I massiva partikelacceleratorer accelereras subatomära partiklar (som elektroner) till superhöga hastigheter jämförbara med ljusets hastighet mot en målyta. Kollisionen av accelererade subatomära partiklar ger upphov till unika interaktioner som gör det möjligt för forskare att få en djupare förståelse av materiens grundläggande egenskaper.
Konventionellt kräver laserbaserade partikelacceleratorer dyra lasrar (i intervallet 1-20 miljoner USD) och finns i stora nationella anläggningar. En så komplex uppställning som denna kan accelerera elektroner till megaelektronvolt (MeV) energier. Men kan en enklare laser som bara kostar en liten bråkdel av de för närvarande använda lasrarna användas för att utforma jämförbara system för partikelacceleration?
I ett spännande steg har forskare från Tata Institute of Fundamental Research, Hyderabad (TIFRH) designat en elegant lösning för att framgångsrikt generera MeV (10 6 eV) temperaturelektroner vid bara en bråkdel (100 gånger mindre) av laserintensiteten som tidigare ansågs nödvändig.
Resultaten publiceras i tidskriften Communications Physics .
Tekniken implementerar två laserpulser; först för att skapa en liten, kontrollerad explosion i en mikrodroppe, följt av en andra puls för att accelerera elektroner till megaelektronvolt (MeV) energier. Vad som är ännu mer spännande är att de har uppnått detta med en laser som är 100 gånger mindre än vad som tidigare ansågs nödvändigt, vilket gör den mer tillgänglig och mångsidig för framtida forskning. Konsekvenserna av denna upptäckt kan vara dramatiska på grund av förmågan att producera högenergielektronstrålar för applikationer som sträcker sig från oförstörande testning, avbildning, tomografi och mikroskopi och kan påverka materialvetenskap till biologiska vetenskaper.
Uppställningen som utvecklats av TIFRH-forskare använder en laser i millijoule-klassen, som avfyrar med en hastighet av 1 000 pulser per sekund med ultrakorta 25 fs-pulser, och används för att dynamiskt mejsla mikrodroppar med en diameter på 15 µm. Denna dynamiska målformning involverar två laserpulser som arbetar i tandem. Den första pulsen skapar en konkav yta i vätskedroppen, och den andra pulsen driver elektrostatiska plasmavågor som driver fram elektroner till MeV-energier.
Elektrostatiska vågor är svängningar i plasma är ungefär som de mekaniska störningar som skapas i en vattendamm när du går igenom en sten. Här skapar lasern störningar i havet av elektroner och genererar en "elektron-tsunami" som bryter för att ge högenergielektroner ungefär som stänket från en våg i havets kust. Processen genererar inte en utan två elektronstrålar, var och en med distinkta temperaturkomponenter:200 keV och 1 MeV.
Denna innovation producerar riktade elektronstrålar över 4 MeV med en laser som passar på en bordsskiva, vilket gör den till en spelväxlare för tidsupplösta, mikroskopiska studier inom olika vetenskapliga områden.
Mer information: Angana Mondal et al, Formade vätskedroppar genererar MeV-temperaturelektronstrålar med millijoule-klasslaser, Kommunikationsfysik (2024). DOI:10.1038/s42005-024-01550-8
Tillhandahålls av Tata Institute of Fundamental Research
