Zespół naukowców z University of Nebraska – Lincoln niedawno przeprowadził eksperyment, w którym byli w stanie przyspieszyć elektrony plazmowe do prędkości zbliżonej do prędkości światła. Ta „rakieta optyczna”, która pchała elektrony z siłą trylion-trylion razy większą niż generowana przez konwencjonalną rakietę, może mieć poważne konsekwencje dla wszystkiego, od podróży kosmicznych po obliczenia i nanotechnologię.
Jeśli chodzi o przyszłość badań kosmicznych i badań naukowych, jasne jest, że światło będzie odgrywać istotną rolę. Z jednej strony agencje kosmiczne badają „komunikację optyczną” - wysyłając informacje za pomocą laserów - w celu obsługi rosnącej ilości danych gromadzonych i wysyłanych na Ziemię. Z drugiej strony naukowcy i inżynierowie szukają laserów do przeprowadzania mikroskopijnych manipulacji materią i komputerami optycznymi.
Jednak jednym z głównych wyzwań związanych z tego rodzaju aplikacjami była wielkość zaangażowanego sprzętu. Sprowadza się to do tego, że konwencjonalne lasery wysokoenergetyczne są na ogół duże i drogie. Jako taka, możliwość zmniejszenia skali procesu, w którym światło jest przyspieszane cząstkami, byłaby nie tylko dobrodziejstwem dla naukowców, ale mogłaby również prowadzić do niezliczonych nowych zastosowań.
Właśnie to zrobił zespół z Extreme Light Laboratory (ELL) UNL, korzystając z laboratoryjnego lasera Diocles. Ten laser rentgenowski, który jest dziesięć milionów razy jaśniejszy niż słońce, został wykorzystany do skupienia szybkich impulsów laserowych na elektronach plazmowych - proces ten znany jest jako przyspieszenie wakefield (lub przyspieszenie elektronowe). Badanie, które opisuje ich odkrycia, pojawiło się niedawno w Listy z przeglądu fizycznego.
Zwykle światło wywiera niewielką siłę wszędzie tam, gdzie jest odbite, rozproszone lub pochłonięte. Chociaż siła jest wyjątkowo mała, może mieć kumulatywny efekt, gdy jest odpowiednio i stale skupiona. Podczas eksperymentu zespół odkrył, że impulsy świetlne powodują wypychanie elektronów z plazmy z toru impulsów, co powoduje powstanie fal plazmowych.
Elektrony również wychwyciły dodatkowe przyspieszenie z tych „fal wakefield”, co doprowadziło je do ultra-relatywistycznych prędkości (tj. Zbliżonych do prędkości światła). Jak wyjaśnił Donald Umstadter, dyrektor Extreme Light Laboratory w komunikacie prasowym Nebraska Today:
„To nowe i wyjątkowe zastosowanie intensywnego światła może poprawić wydajność kompaktowych akceleratorów elektronów. Ale nowatorski i bardziej ogólny aspekt naukowy naszych wyników polega na tym, że zastosowanie siły światła spowodowało bezpośrednie przyspieszenie materii. ”
Ten nowy eksperyment skutecznie wykazał zdolność do kontrolowania początkowej fazy przyspieszenia wakefield, co może poprawić wydajność kompaktowych akceleratorów elektronów. Było to znaczące, ponieważ ma wiele zastosowań, które wcześniej nie były możliwe z powodu ogromnej wielkości konwencjonalnych akceleratorów elektronów.
Jedna z takich aplikacji jest znana jako „pinceta optyczna”, proces, w którym światło jest wykorzystywane do manipulowania obiektami mikroskopowymi. Innym możliwym zastosowaniem jest koncepcja znana jako „żagiel świetlny” (znany również jako ogniwo słoneczne lub fotonowe), metoda napędu kosmicznego, w której zogniskowana wiązka laserowa służy do przyspieszenia odbijającego żagla do niewiarygodnych prędkości.
Jednym z takich przykładów jest Breakthrough Starshot, proponowany statek kosmiczny opracowany przez Breakthrough Initatives - organizację non-profit założoną przez rosyjskiego miliardera Jurija Milnera. Składający się z nanokraftu holowanego przez żaglówkę, ten statek kosmiczny polegałby na skupionych laserach w celu przyspieszenia go do prędkości relatywistycznych (20% prędkości światła). Przy tej prędkości statek byłby w stanie odbyć podróż do Alfa Centauri w ciągu zaledwie 20 lat i mógłby wysłać z powrotem obrazy wszelkich egzoplanet tam (w tym Proxima b).
Tymczasem eksperyment ten prawdopodobnie otworzy poważne możliwości badawcze dla fizyków cząstek stałych. Badanie zostało przeprowadzone przez Grigoroya Golovina, badacza postdoc z Extreme Light Laboratory (ELL) z University of Nebraska-Lincoln (UNL), i objęło wielu naukowców z ELL i Uniwersytetu Jiao Tong w Szanghaju.
