Eπιστήμονες, εκμεταλλευόμενοι τον ακριβή έλεγχο που προσφέρει η χρήση υπερταχέων λέιζερ, επιτάχυναν ηλεκτρόνια, μέσα σε μία απόσταση 20 εκατοστών, σε ταχύτητες για τις οποίες συνήθως απαιτούνται επιταχυντές σωματιδίων με μεγέθος αρκετών γηπέδων ποδοσφαίρου.
Το εκπληκτικό αυτό αποτέλεσμα προέκυψε από την συνεργασία μίας ομάδας από το University of Maryland (UMD) με επικεφαλής τον καθηγητή Howard Milchberg, με την ομάδα του Jorge J. Rocca στο Colorado State University (CSU), οι οποίοι χρησιμοποίησαν δύο παλμούς λέιζερ που στάλθηκαν μέσω ενός πίδακα αερίου υδρογόνου. Ο πρώτος παλμός διέλυσε το υδρογόνο, ανοίγοντας μια τρύπα μέσα από αυτό, δημιουργώντας έτσι ένα κανάλι πλάσματος. Το κανάλι αυτό οδήγησε έναν δεύτερο, υψηλότερης ισχύος παλμό, ο οποίος αφαίρεσε τα ηλεκτρόνια από το πλάσμα και τα παρέσυρε κατά μήκος της πορείας του, επιταχύνοντάς τα σχεδόν στην ταχύτητα του φωτός.
Με αυτήν την τεχνική, η ομάδα επιτάχυνε τα ηλεκτρόνια στο 40% περίπου της ενέργειας που επιτυγχάνεται σε τεράστιες εγκαταστάσεις όπως ο “Linac Coherent Light Source” (LCLS), επιταχυντής στο “SLAC National Accelerator Laboratory”, το μήκος του οποίου αγγίζει το ένα χιλιομέτρο. Η εργασία έγινε αποδεκτή από το περιοδικό “Physical Review X” τον Αύγουστο του 2022.
«Είναι ο πρώτος επιταχυντής ηλεκτρονίων πολλών-GeV που τροφοδοτείται εξ ολοκλήρου από λέιζερ», λέει ο Milchberg, του οποίου τα affiliatons περιλαμβάνουν επίσης το “Institute of Research Electronics and Applied Physics” στο UMD. «Και με τα λέιζερ να γίνονται φθηνότερα και πιο αποτελεσματικά, αναμένουμε ότι η τεχνική μας θα αποτελεί τον καλύτερο τρόπο για τους ερευνητές σε αυτόν τον τομέα.»
Επιταχυντές όπως ο LCLS αποτελούν κίνητρο για τη νέα δουλειά. Ο LCLS επιταχύνει τα ηλεκτρόνια σε ενέργεια 13,6 δισεκατομμυρίων ηλεκτρονιοβολτ (GeV), την ενέργεια δηλαδή ενός ηλεκτρονίου που κινείται με το 99,99999993% της ταχύτητας του φωτός. Ο προκάτοχος του LCLS βρίσκεται πίσω από τρεις βραβευμένες με Νόμπελ ανακαλύψεις επάνω στα θεμελιώδη σωματίδια. Σήμερα, το ένα τρίτο του αρχικού επιταχυντή έχει μετατραπεί στον LCLS, και χρησιμοποιεί τα εξαιρετικά γρήγορα ηλεκτρόνια του για να δημιουργήσει τις πιο ισχυρές δέσμες λέιζερ ακτίνων Χ στον κόσμο. Οι επιστήμονες χρησιμοποιούν αυτές τις ακτίνες Χ για να κοιτάξουν μέσα σε άτομα και μόρια που βρίσκονται σε δράση, δημιουργώντας βίντεο χημικών αντιδράσεων. Τα βίντεο αυτά αποτελούν εργαλεία ζωτικής σημασίας για την ανακάλυψη φαρμάκων, τη βελτιστοποίηση της αποθήκευσης ενέργειας, τις καινοτομίες στον τομέα των ηλεκτρονικών, καθώς και για πολλά άλλα.
Το να επιταχύνουμε ηλεκτρόνια σε ενέργειες δεκάδων GeV δεν είναι κάτι το εύκολο. Ο γραμμικός επιταχυντής του SLAC παρέχει στα ηλεκτρόνια την ώθηση που χρειάζονται, χρησιμοποιώντας ισχυρά ηλεκτρικά πεδία που διαδίδονται εντός μίας πολύ μακριάς σειράς από μεταλλικούς σωλήνες. Πιο ισχυρά ηλεκτρικά πεδία, θα πυροδοτούσαν μια καταιγίδα με κεραυνούς μέσα στους σωλήνες και θα τους έβλαπταν σοβαρά. Μη μπορώντας να ωθήσουν πιο δυνατά τα ηλεκτρόνια, οι ερευνητές κατέληξαν στο να τα ωθούν για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα, παρέχοντας μεγαλύτερη διαδρομή για την επιτάχυνση των σωματιδίων. Εξ ου και το μήκος του ενός χιλιομέτρου, που αναφέραμε. Για να φέρουν αυτήν την τεχνολογία σε μια πιο διαχειρίσιμη κλίμακα, οι ομάδες UMD και CSU εργάστηκαν ώστε να επιταχύνουν τα ηλεκτρόνια σε ταχύτητες κοντά σε αυτήν του φωτός, χρησιμοποιώντας -πόσο ταιριαστά- το… ίδιο το φως.
«Ο στόχος είναι να συρρικνωθούν, τελικά, οι επιταχυντές ηλεκτρονίων κλίμακας GeV, στο μέγεθος ενός μέτριου δωμάτιου», λέει ο Jaron Shrock, μεταπτυχιακός φοιτητής φυσικής στο UMD και πρώτος συν-συγγραφέας της εργασίας. «Έχουμε διατάξεις σε κλίμακα χιλιόμετρου και πεδίο επιτάχυνσης που είναι 1.000 φορές ισχυρότερο. Έτσι, μετατρέπουμε την κλίμακα από χιλιόμετρα σε μέτρα. Αυτός είναι ο στόχος της συγκεκριμένης τεχνολογίας.»
Για την δημιουργία αυτών των ισχυρότερων πεδίων επιτάχυνσης σε ένα εργαστήριο, επιστρατεύεται μια διαδικασία που ονομάζεται “laser wakefield acceleration”, κατά την οποία ένας παλμός στενά εστιασμένου και έντονου φωτός λέιζερ αποστέλλεται μέσα από πλάσμα, δημιουργώντας μια διαταραχή και τραβώντας ηλεκτρόνια κατά μήκος του.
«Μπορείτε να φανταστείτε τον παλμό του λέιζερ σαν μια βάρκα», λέει ο Bo Miao, μεταδιδακτορικός συνεργάτης φυσικής στο “University of Maryland” και πρώτος συγγραφέας της εργασίας. “Επειδή ο παλμός λέιζερ είναι τόσο έντονος, καθώς ταξιδεύει μέσα στο πλάσμα σπρώχνει τα ηλεκτρόνια έξω από την πορεία του, όπως πλώρη ενός σκάφους παραμερίζει το νερό. Αυτά τα ηλεκτρόνια οδηγούνται γύρω από το σκάφος και συγκεντρώνονται ακριβώς πίσω του, ταξιδεύοντας μέσα στα “απόνερα” του παλμού».
Η επιτάχυνση “laser wakefield acceleration” προτάθηκε για πρώτη φορά το 1979 και η επίδειξη αυτής επετεύχθη το 1995. Όμως η απόσταση στην οποία μπορούσε να επιταχύνει τα ηλεκτρόνια παρέμενε πεισματικά περιορισμένη σε μερικά εκατοστά. Αυτό που επέτρεψε στην ομάδα του UMD και του CSU να εκμεταλλευτεί πιο αποτελεσματικά από ποτέ την μέθοδο αυτή, ήταν μια πρωτοποριακή τεχνική της ομάδας του UMD, η οποία δαμάζει τη δέσμη υψηλής ενέργειας και την εμποδίζει να εξασθενήσει. Η τεχνική τους ανοίγει μια τρύπα στο πλάσμα, δημιουργώντας έναν κυματοδηγό που διατηρεί την ενέργεια της δέσμης εστιασμένη.
«Ένας κυματοδηγός επιτρέπει σε έναν παλμό να διαδίδεται σε πολύ μεγαλύτερη απόσταση», εξηγεί ο Shrock. «Είμαστε αναγκασμένοι να χρησιμοποιήσουμε πλάσμα, γιατί οι παλμοί αυτοί μεταφέρουν ενέργεια τόσο υψηλή, είναι τόσο φωτεινοί που θα κατέστρεφαν ένα παραδοσιακό καλώδιο οπτικών ινών. Το πλάσμα δεν μπορεί να καταστραφεί γιατί κατά κάποιο τρόπο είναι ήδη κατεστραμμένο.»
Η τεχνική τους δημιουργεί κάτι σαν καλώδιο οπτικών ινών -αυτές που μεταφέρουν υπηρεσίες διαδικτύου και άλλα σήματα τηλεπικοινωνιών- από το… τίποτα. Ή, πιο συγκεκριμένα, από προσεκτικά σμιλεμένους πίδακες αερίου υδρογόνου.
Ένας συμβατικός κυματοδηγός οπτικών ινών αποτελείται από δύο στοιχεία: έναν κεντρικό “πυρήνα”, ο οποίος οδηγεί το φως, και μια περιβάλλουσα “επένδυση” η οποία εμποδίζει τη διαρροή του φωτός. Για την δημιουργία του κυματοδηγού πλάσματος, η ομάδα χρησιμοποιεί μια επιπρόσθετη δέσμη λέιζερ και έναν πίδακα αερίου υδρογόνου. Καθώς, αυτό το πρόσθετο λέιζερ “καθοδήγησης”, ταξιδεύει μέσα στον πίδακα, αφαιρεί τα ηλεκτρόνια από τα άτομα υδρογόνου και δημιουργεί ένα κανάλι πλάσματος. Το πλάσμα είναι καυτό και αρχίζει γρήγορα να διαστέλλεται, δημιουργώντας έναν “πυρήνα” πλάσματος χαμηλότερης πυκνότητας και ένα αέριο υψηλότερης πυκνότητας στις παρυφές του, σαν ένα κυλινδρικό κέλυφος. Στη συνέχεια, στέλνεται μέσω αυτού του καναλιού η κύρια δέσμη λέιζερ (αυτή που θα συγκεντρώσει ηλεκτρόνια στο πέρασμά της). Το χείλος προσβολής αυτού του παλμού μετατρέπει το κέλυφος υψηλότερης πυκνότητας επίσης σε πλάσμα, δημιουργώντας έτσι την “επένδυση”.
«Είναι σαν ο πρώτος παλμός να καθαρίζει μια περιοχή», λέει ο Shrock, «και μετά ο παλμός υψηλής έντασης να έρχεται σαν τρένο, με κάποιον να στέκεται στο μπορσοστινό μέρος και να στρώνει τις ράγες καθώς αυτό προχωράει».
Χρησιμοποιώντας την τεχνική του οπτικώς παραγόμενου κυματοδηγού πλάσματος του UMD, σε συνδυασμό με το λέιζερ υψηλής ισχύος και την τεχνογνωσία της ομάδας του CSU, οι ερευνητές κατόρθωσαν να επιταχύνουν μερικά ηλεκτρόνια στην εκπληκτική ενέργεια των 5 GeV. Αυτή εξακολουθεί, βέβαια, να είναι 3 φορές μικρότερη από τις τιμές του τεράστιου επιταχυντή του SLAC, και δεν αποτελεί καν την μέγιστη που μπορεί να επιτευχθεί με την επιτάχυνση “laser wakefield acceleration” (τα εύσημα γι αυτό ανήκουν σε μια ομάδα του Lawrence Berkeley National Labs). Ωστόσο, σε αυτή την νέα εργασία, η ενέργεια λέιζερ που χρησιμοποιείται ανά GeV αποτελεί ρεκόρ, και επιπλέον τα μέλη της ομάδας λένε ότι η τεχνική τους είναι πιο ευέλικτη: δυνητικά είναι σε θέση να παράγει ριπές ηλεκτρονίων, χιλιάδες φορές το δευτερόλεπτο (σε αντίθεση με περίπου μία φορά ανά δευτερόλεπτο), καθιστώντας την ιδιαίτερα υποσχόμενη τεχνική για πολλές εφαρμογές, από τον τομέα της φυσικής υψηλών ενεργειών έως την δημιουργία ακτίνων Χ που μπορούν να τραβήξουν βίντεο δρώντων μορίων και ατόμων, όπως γίνεται στο LCLS. Τώρα που η ομάδα απέδειξε την επιτυχία της μεθόδου, σχεδιάζει να τελειοποιήσει την διάταξη, ώστε να βελτιωθεί η απόδοση και να αυξηθεί η επιτάχυνση σε υψηλότερες ενέργειες.
«Αυτή τη στιγμή, τα ηλεκτρόνια δημιουργούνται σε όλο το μήκος του κυματοδηγού -μήκους 20 εκατοστών- γεγονός που καθιστά μη ιδανική την κατανομή της ενέργειάς τους», λέει ο Miao. «Μπορούμε να βελτιώσουμε τη σχεδίαση, ώστε να μπορούμε να ελέγξουμε το πού ακριβώς εγχέονται και έτσι, στη συνέχεια, να μπορούμε να ελέγξουμε καλύτερα την ποιότητα της δέσμης των επιταχυνόμενων ηλεκτρονίων».
Και παρότι το όνειρο για έναν… επιτραπέζιο LCLS δεν αποτελεί ακόμα πραγματικότητα, οι συγγραφείς λένε ότι αυτό το έργο ανοίγει έναν δρόμο μπροστά μας. «Είναι πολλά αυτά που πρέπει να γίνουν, μεταξύ του τώρα και του τότε, τόσο από πλευράς μηχανικής όσο και από πλευράς επιστήμης», δηλώνει ο Shrock. «Οι τυπικοί επιταχυντές παράγουν υψηλού ρυθμού επαναλαμβανόμενες δέσμες, όπου όλα τα ηλεκτρόνια έχουν παρόμοιες ενέργειες και ταξιδεύουν προς την ίδια κατεύθυνση. Εμείς εξακολουθούμε να μαθαίνουμε για το πώς θα βελτιώσουμε αυτά τα χαρακτηριστικά των δεσμών στους πολλών-GeV επιταχυντές wakefield λέιζερ. Πιθανό, επίσης, είναι και το εξής: για να επιτύχουμε ενέργειες της κλίμακας των δεκάδων GeV, ίσως χρειαστεί να τοποθετήσουμε πολλαπλούς επιταχυντές wakefield, περνώντας τα επιταχυνόμενα ηλεκτρόνια από το ένα στάδιο στο άλλο, διατηρώντας παράλληλα την ποιότητα της δέσμης. Επομένως, υπάρχει πολύς δρόμος μεταξύ του τώρα και του να έχουμε μια εγκατάσταση τύπου LCLS που να βασίζεται στην “laser wakefield acceleration” .»
Παραπομπές: B. Miao et al, Multi-GeV Electron Bunches from an All-Optical Laser Wakefield Accelerator, Physical Review X (2022).
Πηγή: https://eng.umd.edu/
