Os aceleradores de partículas convencionais podem variar de dispositivos do tamanho de uma sala grande a instalações com vários quilômetros de extensão. Uma das maneiras que os cientistas têm procurado para reduzir o tamanho e as despesas de futuros aceleradores é desenvolver a aceleração de plasma acionada por laser. Esses aceleradores, Contudo, estão crescendo em tamanho e complexidade para manter a relevância para uma de suas aplicações - física de alta energia. Contudo, existem muitas aplicações que podem usar um feixe acelerado de menor energia e maior taxa de repetição. Pela primeira vez, cientistas observaram a produção de elétrons relativísticos impulsionados por baixa energia, pulsos de laser infravermelho médio ultracurtos. Uma equipe de pesquisa da Universidade de Maryland, EUA, com o apoio da Universidade Técnica de Viena, Áustria, apresentará as descobertas de seu grupo em Fronteiras em Óptica + Laser Science APS / DLS (FIO + LS), realizada de 17 a 21 de setembro de 2017 em Washington, DC.
"Estamos tentando desenvolver aceleradores movidos a laser extremamente compactos e com alta taxa de repetição, "disse Howard Milchberg, Membro da The American Physical Society (APS) e The Optical Society (OSA), e professor de Física e Engenharia Elétrica na Universidade de Maryland. "Isso significa usar a energia de pulso de laser tão baixa quanto possível para gerar elétrons relativísticos. Essas fontes poderiam ser usadas em imagens de varredura rápida para médicos, aplicações científicas e de segurança. "
Recentemente, o desenvolvimento de sistemas de amplificação de pulso de chirp paramétrico óptico (OPCPA) no infravermelho médio permitiu o uso de pulsos de comprimento de onda longo na escala de femtossegundos. Até este desenvolvimento, pulsos de laser de comprimento de onda longo estão disponíveis principalmente a partir de lasers de CO2, mas eles têm uma estrutura multipulso complicada com durações de pulso estendendo-se, nas durações mais curtas, além de vários picossegundos, centenas de vezes mais.
Os experimentos comuns de aceleração acionada por laser dependem da interação de um pulso de laser curto com um alvo de gás. Comparado com experimentos anteriores, o longo comprimento de onda do driver usado neste projeto resultou em fácil acesso ao que é chamado de regime de "densidade crítica". Como a densidade crítica varia inversamente com o quadrado do comprimento de onda do laser, alvos de gás usados para pulsos de laser infravermelho médio podem ser até 100 vezes menos densos do que aqueles usados no infravermelho visível e próximo, tornando-os muito menos difíceis de projetar.
"Quando alguns pulsos de laser infravermelho médio de femtossegundos de poucos milijoule são focalizados por um espelho curvo em um jato de gás de hidrogênio - um fluxo de hidrogênio saindo de um bico - um pulso colimado de elétrons relativísticos irradia do outro lado do jato, "Milchberg disse, descrevendo o experimento. "Contudo, isso não pode acontecer a menos que o laser atinja uma intensidade extremamente alta - muito mais alta do que seria possível focando apenas com o espelho curvo. Ele faz isso por autofocalização relativística no gás hidrogênio ionizado, de modo que ele entra em colapso para um tamanho muito menor do que seu ponto focal. "
A importância de estar no regime de densidade crítica, de acordo com Milchberg, é que ele promove a autofocalização relativística, mesmo para pulsos de laser de baixa energia. Esta interação de alta intensidade impulsionada gera ondas de plasma que aceleram alguns dos elétrons do hidrogênio ionizado em um feixe relativístico direcionado para frente.
A equipe descobriu que os feixes de elétrons estavam presentes para potências tais que o comprimento de autofocalização característico no plasma era menor do que o, largura do jato de gás, mostrando que a aceleração de elétrons não pode ocorrer sem autofocalização relativística.
A autofocalização relativística é um exemplo extremo do conhecido processo de autofocalização em óptica não linear, mas agora com o bônus de partículas relativísticas aceleradas geradas a partir do meio não linear.
Mesmo com apenas 20 milijoules de energia de laser infravermelho médio, o laser nesses experimentos pode exceder significativamente o limite para autofocalização relativística, dando origem à multifilamentação relativística. A equipe observou vários feixes de elétrons relativísticos associados a esses filamentos.
Essas inovações estão entre as etapas iniciais para o desenvolvimento e aplicações de aceleradores movidos a laser de alta taxa de repetição. "Em particular, "Milchberg disse, "lasers de femtossegundos de comprimento de onda longo são especialmente promissores, já que podem acessar o regime não linear relativístico de elétrons livres com uma facilidade surpreendente. "
