«Мы ускорили около полумиллиарда электронов до 2 гигаэлектронвольт на расстоянии около 1 дюйма», – сказал Майк Даунер, профессор физики в Колледже естественных наук. «До сих пор такая степень энергии и сосредоточенности требовала обычного ускорителя, который простирается больше, чем длина двух футбольных полей. Это уменьшение примерно в 10 000 раз."
Результаты, опубликованные на этой неделе в Nature Communications, знаменуют собой важную веху на пути к тому дню, когда лазерные плазменные ускорители на несколько гигаэлектронвольт (ГэВ) станут стандартным оборудованием исследовательских лабораторий по всему миру.
Даунер сказал, что ожидает разработки ускорителей на 10 ГэВ и нескольких дюймов в длину в течение следующих нескольких лет, и он полагает, что ускорители на 20 ГэВ аналогичного размера могут быть разработаны в течение десятилетия.
Даунер сказал, что электроны от нынешнего ускорителя на 2 ГэВ могут быть преобразованы в «жесткие» рентгеновские лучи, такие же яркие, как и от крупномасштабных установок. Он считает, что с дальнейшим усовершенствованием они могут даже управлять рентгеновским лазером на свободных электронах, самым ярким источником рентгеновского излучения, доступным в настоящее время науке.
Настольный рентгеновский лазер был бы трансформирующим для химиков и биологов, которые могли бы использовать яркие рентгеновские лучи для изучения молекулярных основ материи и жизни с атомной точностью и фемтосекундным временным разрешением, не путешествуя по крупному национальному объекту.
«Рентгеновские лучи, которые мы сможем производить, имеют фемтосекундную длительность, которая представляет собой шкалу времени, в которой молекулы вибрируют и происходят самые быстрые химические реакции», – сказал Даунер. "Они будут обладать энергией и яркостью, чтобы мы могли видеть, например, атомную структуру отдельных белковых молекул в живом образце."
Чтобы генерировать энергичные электроны, способные производить эти рентгеновские лучи, Даунер и его коллеги использовали метод ускорения, известный как лазерно-плазменное ускорение. Он включает в себя подачу короткого, но очень мощного лазерного импульса в струю газа.
«Для непрофессионала это выглядит как низкие технологии», – сказал Даунер. "Все, что вам нужно сделать, это сделать небольшую струю газа нужной плотности и профиля. Лазерный импульс входит.
Он ионизирует этот газ и образует плазму, но также накладывает отпечаток на ее структуру. Он отделяет электроны от ионного фона и создает эти огромные внутренние поля пространственного заряда. Затем заряженные частицы выходят прямо из плазмы, попадают в эти поля, которые с этим лазерным импульсом движутся почти со скоростью света, и ускоряются в них."
Даунер сравнил это с тем, что произошло бы, если бы вы бросили моторную лодку в озеро с вращающимися двигателями. Лодка (лазер) издает всплеск, а затем создает волну, двигаясь по озеру на высокой скорости. Во время этого начального всплеска некоторые капли (заряженные частицы) отламываются, захватываются волной и ускоряются, перемещаясь по ней.
«На другом конце озера они с невероятно высокой скоростью выбрасываются в окружающую среду», – сказал Даунер. "Это наш электронный пучок 2 ГэВ."
Бывший физик из Остина Тошики Таджима и покойный физик из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе Джон Доусон придумали идею ускорения лазерной плазмы в конце 1970-х годов. Ученые экспериментируют с этой концепцией с начала 1990-х годов, но они были ограничены мощностью своих лазеров.
В результате поле застряло на максимальной энергии около 1 ГэВ в течение многих лет.
Даунер и его коллеги смогли использовать Техасский петаваттный лазер, один из самых мощных лазеров в мире, чтобы преодолеть этот барьер.
В частности, петаваттный лазер позволил им использовать газы, которые намного менее плотны, чем те, которые использовались в предыдущих экспериментах.
«При более низкой плотности этот лазерный импульс может быстрее проходить через газ», – сказал Даунер. «Но с лазерами более ранних поколений, когда плотность становилась слишком низкой, не было достаточного количества брызг, чтобы впрыснуть электроны в ускоритель, поэтому вы ничего не получили. Вот где появляется петаваттный лазер.
Когда он попадает в плазму низкой плотности, он может производить более сильный всплеск."
Даунер сказал, что теперь, когда он и его команда продемонстрировали работоспособность ускорителя на 2 ГэВ, создание ускорителей на 10 ГэВ должно быть лишь вопросом времени.
Этот порог является значительным, потому что устройства на 10 ГэВ смогут выполнять рентгеновский анализ, необходимый биологам и химикам.
«Я не думаю, что для этого требуется серьезный прорыв», – сказал он. "Если мы сможем сохранить финансирование в течение следующих нескольких лет, все это произойдет.
Сейчас компании продают петаваттные лазеры на коммерческой основе, и по мере того, как мы будем делать это лучше, появятся компании, которые будут производить модули ускорителей на 10 ГэВ. Затем придут конечные пользователи, химики и биологи, и это приведет к большему количеству инноваций и открытий."