Fizicienii de la Max-Planck-Institute of Quantum Optics produc impulsuri de electroni de la un accelerator laser ale cărui particule individuale au aproape aceeaşi energie. Electronii având o viteză apropiată de viteza luminii sunt greu de controlat.
Pentru a putea fi folosiţi ca un instrument în cadrul aplicaţiilor de frontieră ale fizicii este necesar ca aceştia să fie adunaţi în impulsuri extrem de scurte şi având o energie bine reglată. O echipă din cadrul Laboratory for Attosecond Physics (LAP), condusă de Dr. Laszlo Veisz şi Prof. Ştefan Karsch, din partea Max-Planck-Institute of Quantum Optics (MPQ), a obţinut aceste caracteristici ale electronilor prin utilizarea unui accelerator laser. Ei au obţinut impulsuri de electroni având durata de câteva femtoseconde, ale căror particule individuale au toate, cu aproximaţie, aceeași energie ce poate fi reglată pe o scală largă. Aceste impulsuri monocromatice de electroni pot fi folosite pentru a crea flash-uri de lumină în domeniul ultraviolet sau chiar al razelor „X" şi care la rândul lor reprezintă un instrument util pentru verificarea proceselor rapide ce au loc în microcosmos (Physical Review Letters, May 02, 2013).
Un puls laser (roşu) loveşte atomii de heliu (albastru), emişi de la o duză cu viteză supersonică. O mică variaţie, controlată, a densităţii atomilor de heliu (raza albastru închis) se produce datorită acoperirii parţiale a duzei de o lamă de ras. La densitatea dorită, un puls laser loveşte atomii de heliu, separă electronii şi îi accelerează la viteze apropiate de viteza luminii. Deoarece toţi electronii sunt separaţi din cadrul atomilor în acelaşi loc şi în acelaşi timp, ei obţin aproape aceeaşi energie.
Credit Thorsten Naeser
Fasciculele de electroni care se deplasează cu o viteză apropiată de viteza luminii au o aplicabilitate mare în medicină sau în cercetarea microcosmosului dacă proprietăţile lor pot fi bine controlate. De obicei aceste impulsuri sunt obţinute cu ajutorul acceleratoarelor convenţionale de radio-frecvenţă (RF) care sunt, pe de o parte, mari şi costisitoare şi, pe de altă parte, pot oferi doar fascicule de frecvenţă ultrascurtă la costuri ridicate şi cu un mare procent de pierderi în ceea ce priveşte particulele. Accelerarea particulelor cu ajutorul unui laser ar putea deveni o soluţie viabilă pentru aceste probleme. Cu toate acestea, principala problemă cu care ne confruntăm, în acest caz, o reprezintă dificultatea de a transfera aceeaşi energie tuturor particulelor ce formează fasciculul. Odată cu momentul depăşirii acestei probleme, această tehnică ne-ar permite un control mult mai bun al proprietăţilor electronilor din fascicul şi o mai bună adaptare a acestora la aplicaţiile pe care intenţionăm să le dezvoltăm pe viitor.
Un accelerator convenţional RF conţine întotdeauna o sursă de particule care stabileşte numărul de particule dintr-un fascicul, durata impulsului şi banda de energie, precum şi o secţiune de accelerare ce determină care va fi energia finală obţinută. Într-un accelerator cu laser, până acum nu a fost prezentă o sursă distinctă de particule, iar electronii ce sunt acceleraţi au fost prinşi aleatoriu de-a lungul distanţei de accelerare. În acest mod se obţin particule având o energie diferită. Echipa din jurul lui Laszlo Veisz şi Ştefan Karsch a arătat cum se poate integra o sursă de particule într-un accelerator cu laser şi cum poate fi utilizată aceasta pentru a crea fascicule de electroni în care aceştia au aproape cu toţii aceeaşi energie.
În experiment, fizicienii au lansat atomi de heliu de la o mică sursă la viteze supersonice. Chiar deasupra duzei au plasat o lamă de ras, astfel încât aceasta să poată acoperi o parte din orificiul prin care sunt emişi atomii de heliu. După ce fluxul supersonic de heliu este eliberat din duză şi loveşte marginea lamei de ras se produce o undă de şoc ce provoacă o variaţie a densităţii gazului. În exact această poziţie, cercetătorii au concentrat un puls laser extrem de puternic cu o durată de 28 femtosecunde (o femtosecondă este o milionime de miliardime dintr-o secundă).
Acest puls laser formează un canal de plasmă, separă electronii de atomii lor şi accelerează electronii până aproape de viteza luminii dându-le la toţi aproximativ aceeaşi energie. Cea mai importantă condiţie ce trebuie îndeplinită în vederea generării unui puls monocromatic de electroni este aceea ca toţi electronii să-şi înceapă călătoria din poziţia de şoc şi astfel să parcurgă aceeaşi distanţă de accelerare până la capătul jetului de gaz, obţinând, în consecinţă, cu toţii aceeaşi energie. Fără unda de şoc, electronii şi-ar începe călătoria din poziţii aleatoare, diferite, neputând să câştige cu toţii aceeaşi energie. „Prin schimbarea poziţiei lamei de ras aflată deasupra duzei putem determina unde s-a produs diferenţa de densitate în jetul de gaz şi astfel să determinăm cât de lungă este distanţa de accelerare şi, în consecinţă, care este energia dobândită de electroni", explică Laszlo Veisz.
Perfect controlate, pulsurile ultrascurte de electroni pot fi folosite pentru a genera flashuri de lumină având durata de ordinul femtosecundelor din domeniul optic până la frecvenţe corespunzătoare razelor X. Acestea ar putea fi folosite pentru obţinerea de imagini ale proceselor extrem de rapide ce au loc în microcosmos. Este posibilă utilizarea lor în cadrul aplicaţiilor medicale, acceleratoarele laser compacte, ieftine şi bine controlate având un fascicul de calitate înaltă s-ar putea răspândi, îmbunătăţind, prin performanţele lor, tehnicile imagistice utilizate în prezent pentru diagnosticarea pacienţilor.
Traducere de George Cristian Podariu după cool-electron cu acordul editorului
