p A aceleração direta controlada de elétrons em campos de laser muito fortes pode oferecer um caminho para aceleradores ultracompactos. Tal aceleração direta requer retificação e desacoplamento do campo de laser eletromagnético oscilante dos elétrons de uma maneira adequada. Pesquisadores de todo o mundo tentam enfrentar esse desafio. Em experimentos no Instituto Max Born, a aceleração direta do laser de elétrons agora podia ser demonstrada e entendida em detalhes teoricamente. Este conceito é um passo importante para a criação de pulsos de elétrons relativísticos e ultracurtos em distâncias de aceleração muito curtas abaixo de um milímetro. O elétron compacto resultante e as fontes de raios-x relacionadas têm um amplo espectro de aplicações em espectroscopia, Análise estrutural, ciências biomédicas e para nanotecnologia. p A maneira como os elétrons podem ser acelerados até as energias cinéticas relativísticas em campos de laser fortes é uma questão fundamental na física da interação luz-matéria. Embora os campos eletromagnéticos de um pulso de laser forcem um elétron livre anteriormente em repouso a oscilações com velocidades extremamente altas, essas oscilações cessam novamente quando o pulso de luz passa. Uma transferência de energia líquida por tal aceleração direta de uma partícula carregada no campo do laser não pode ocorrer. Este princípio fundamental - frequentemente discutido em exames de física - é válido para certas condições de limite da extensão espacial e intensidade do pulso de laser. Apenas para particular, diferentes condições de contorno, elétrons podem, de fato, receber uma transferência de energia líquida por meio da aceleração do forte campo de laser. Estas condições podem ser definidas, e. focalizando o pulso de laser ou a presença de fortes campos eletrostáticos em um plasma.

p No mundo todo, os cientistas estão procurando soluções para a rapidez com que os elétrons podem ser extraídos de campos de laser extremamente fortes e como se pode obter pulsos de elétrons curtos com alta densidade de carga por meio de pulsos de laser ultracurtos.

p Em campos de luz de intensidade relativística (I> 10 ¹⁸ W / cm ² ) os elétrons oscilam com velocidades próximas à velocidade da luz. A energia cinética correspondente atinge valores de MeV a GeV (em I> 10 ²² W / cm ² . Campos de luz fortes são obtidos focalizando pulsos de laser ultracurtos com alta energia em áreas de poucos micrômetros. A distribuição de intensidade espacial resultante já permite a aceleração dos elétrons até altas energias cinéticas. Este processo é conhecido como aceleração ponderomotiva. É um processo essencial para a interação entre campos de luz fortes e matéria. Vários estudos teóricos, Contudo, previram que o número de elétrons e sua energia cinética podem ser aumentados significativamente por uma aceleração direta no campo do laser, mas apenas se a interação elétron-luz for interrompida de uma forma adequadamente adaptada. Essas considerações foram o ponto de partida para os experimentos de Julia Braenzel e seus colegas do Instituto Max Born.

p Nos experimentos da MBI, os elétrons foram desacoplados do pulso de luz em um determinado momento no tempo, usando uma folha separadora que é opaca para a luz do laser, mas pode transmitir elétrons rapidamente. Poderíamos mostrar que este método leva a um aumento do número de elétrons com altas velocidades. Inicialmente, um pulso de laser 70 TW Ti:Sapphire (2 J @ 35 fs) irradia uma película alvo fina de 30 - 100 nm consistindo de um polímero PVF. Na direção de propagação do laser, cerca de 109 elétrons são acelerados até vários MeV de energia por meio da força ponderomotriz. Durante essa interação, a folha é quase totalmente ionizada e transformada em plasma.

p Para espessuras de folha alvo suficientemente finas abaixo de 100 nm, uma fração da luz do laser incidente pode ser transmitida através do plasma. A luz transmitida passa a ultrapassar os elétrons já emitidos nessa direção. Isso corresponde a uma injeção quase intrinsecamente sincronizada de elétrons lentos no transmitido, mas ainda campo de laser relativístico ( <8 x 10 ¹⁸ W / cm ² ) Se uma segunda folha de separação fina for colocada na distância correta atrás da primeira, amplificação no sinal de elétron para um determinado intervalo de energia é observada. A Fig. 1a) mostra um esquema da evolução temporal no experimento e a Fig. 1b) apresenta uma comparação direta da distribuição espectral de elétrons detectada para uma configuração de folha única e de folha dupla, onde a segunda folha atua como um separador. Esta folha é opaca para a luz do laser, mas é transparente para os elétrons rápidos e, portanto, permite o desacoplamento de ambos. O tempo em que a interação entre os elétrons e a luz transmitida é interrompida depende da distância entre as duas folhas.

p Os experimentos realizados no grupo de Matthias Schnürer demonstram que uma amplificação do sinal do elétron pode ser obtida e é maximizada para uma determinada distância. A amplificação desaparece em distâncias muito grandes. Numerosas medições, bem como simulações numéricas, confirmaram a hipótese de que elétrons com alta energia cinética podem de fato ser extraídos do campo de luz se forem desacoplados adequadamente. Se as folhas separadoras estiverem localizadas em uma posição otimizada, elétrons lentos com energias cinéticas abaixo de 100 keV são acelerados para energias cinéticas cerca de dez vezes maiores. Este efeito leva a uma concentração de elétrons em um intervalo de energia estreito. Em contraste com os experimentos que usam o mecanismo diferente de aceleração de campo de laser wake, onde a produção de elétrons GeV já foi demonstrada, a aceleração direta do laser demonstrada aqui pode ser aumentada para altas intensidades de laser e altas densidades de plasma. Além do insight fundamental nas interações laser-matéria, a aceleração direta do laser demonstrada neste trabalho é uma promessa para a realização futura de fontes compactas de elétrons relativísticos.