Группа исследователей из Университета Небраски-Линкольна недавно провела эксперимент, в котором им удалось ускорить плазменные электроны, приблизившись к скорости света. Эта «оптическая ракета», толкающая электроны с силой, в триллион-триллион раз превышающей силу, генерируемую обычной ракетой, может иметь серьезные последствия для всего, от космических путешествий до вычислительной техники и нанотехнологий.
Когда речь заходит о будущем космических исследований и научных исследований, становится ясно, что свет будет играть жизненно важную роль. С одной стороны, космические агентства исследуют «оптическую связь» - отправку информации с помощью лазеров - для обработки растущего количества данных, которые миссии будут собирать и отправлять на Землю. Исследователи и инженеры, с другой стороны, ищут лазеры для микроскопических манипуляций с веществом и оптическими компьютерами.
Однако одной из основных проблем такого рода приложений является размер используемого оборудования. Это сводится к тому, что обычные высокоэнергетические лазеры, как правило, большие и дорогие. Таким образом, возможность уменьшить масштабы процесса, в котором свет используется для ускорения частиц, станет не только благом для исследователей, но также может привести к появлению бесчисленных новых приложений.
Именно это и сделала команда Лаборатории экстремального света (ELL) UNL, используя лабораторный лазер Diocles. Этот рентгеновский лазер, который в десять миллионов раз ярче Солнца, использовался для фокусировки быстрых лазерных импульсов на электронах плазмы - процесс, известный как ускорение кильватерного поля (или ускорение электронов). Исследование, которое описывает их результаты, недавно появилось в Письма о физическом обзоре.
Обычно свет создает крошечную силу везде, где он отражается, рассеивается или поглощается. Хотя сила чрезвычайно мала, она может иметь кумулятивный эффект, если сфокусирована правильно и непрерывно. В ходе эксперимента команда обнаружила, что световые импульсы заставляют электроны в плазме выталкиваться с пути импульсов, создавая плазменные волны в их следе.
Электроны также улавливали дополнительное ускорение от этих «волн вэйкфилда», что приводило их к ультрарелятивистским скоростям (т. Е. Близко к скорости света). Как объяснил директор лаборатории Extreme Light Дональд Умстадтер в пресс-релизе «Небраски сегодня»:
«Это новое и уникальное применение интенсивного света может улучшить производительность компактных ускорителей электронов. Но новый и более общий научный аспект наших результатов заключается в том, что применение силы света привело к прямому ускорению материи ».
Этот новый эксперимент эффективно продемонстрировал способность контролировать начальную фазу ускорения в кильватере, что могло бы улучшить производительность компактных ускорителей электронов. Это было важно в том смысле, что он имел множество применений, которые ранее были невозможны из-за огромных размеров обычных ускорителей электронов.
Одно из таких приложений известно как «оптический пинцет», процесс, в котором свет используется для манипулирования микроскопическими объектами. Другим возможным применением является концепция, известная как «легкий парус» (иначе говоря, солнечная или фотонная ячейка), метод космического движения, при котором сфокусированный лазерный луч используется для ускорения отражающего паруса до невероятных скоростей.
Одним из таких примеров этого является «Прорыв Старшот», предлагаемый космический корабль, разрабатываемый «Прорывными инициативами» - некоммерческой организацией, основанной российским миллиардером Юрием Мильнером. Этот космический корабль, состоящий из наноплотника, буксируемого прицельным парусом, будет полагаться на сфокусированные лазеры, чтобы ускорить его до релятивистских скоростей (скорость света 20%). На этой скорости корабль сможет совершить путешествие к Альфа Центавре всего за 20 лет и сможет отправить туда изображения любых экзопланет (включая Проксиму b).
Между тем, этот эксперимент, вероятно, откроет некоторые серьезные исследовательские возможности для физиков элементарных частиц. Исследование было проведено Григорием Головиным, исследователем постдока из Лаборатории экстремального света (ELL) Университета Небраски-Линкольна (UNL), и включало нескольких ученых из ELL и Шанхайского университета Цзяо Тонг.
