Aceleradores de partículas são ferramentas essenciais em áreas de pesquisa como biologia, ciência dos materiais e física de partículas. Os pesquisadores estão sempre procurando maneiras mais poderosas de acelerar as partículas para melhorar os equipamentos existentes e aumentar a capacidade de experimentos. Uma dessas tecnologias poderosas é a aceleração de laser dielétrico (DLA). Nesta abordagem, as partículas são aceleradas no campo óptico próximo, que é criado quando pulsos de laser ultracurtos são focados em uma estrutura nanofotônica. Usando este método, pesquisadores da Cátedra de Física do Laser da Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) conseguiram guiar os elétrons através de um canal de vácuo, um componente essencial dos aceleradores de partículas. O projeto básico do canal de nanoestrutura fotônica foi desenvolvido pelo parceiro de cooperação TU Darmstadt. Eles já publicaram suas descobertas conjuntas no jornal Natureza .

Ficar focado

Como as partículas carregadas tendem a se afastar mais umas das outras conforme se espalham, todas as tecnologias de acelerador enfrentam o desafio de manter as partículas dentro dos limites espaciais e de tempo necessários. Como resultado, aceleradores de partículas podem ter até dez quilômetros de comprimento, e envolvem anos de preparação e construção antes de estarem prontos para uso, sem falar nos grandes investimentos envolvidos. Aceleração de laser dielétrico, ou DLA, usa tecnologia laser ultrarrápida e avança na produção de semicondutores para minimizar potencialmente esses aceleradores para apenas alguns milímetros ou centímetros de tamanho.

Uma abordagem promissora:os experimentos já demonstraram que o DLA excede as tecnologias usadas atualmente em pelo menos 35 vezes. Isso significa que o comprimento de um acelerador potencial pode ser reduzido pelo mesmo fator. Até agora, Contudo, não estava claro se esses números poderiam ser aumentados para estruturas cada vez mais longas.

Uma equipe de físicos liderada pelo Prof. Dr. Peter Hommelhoff da cadeira de Física do Laser da FAU deu um grande passo em direção à adaptação do DLA para uso em aceleradores totalmente funcionais. Seu trabalho é o primeiro a estabelecer um esquema que pode ser usado para guiar pulsos de elétrons em longas distâncias.

Tecnologia é a chave

O esquema, conhecido como 'foco de fase alternada' (APF) é um método retirado dos primeiros dias da teoria do acelerador. Uma lei fundamental da física significa que focar partículas carregadas em todas as três dimensões ao mesmo tempo - largura, altura e profundidade - é impossível. Contudo, isso pode ser evitado focalizando alternadamente os elétrons em dimensões diferentes. Em primeiro lugar, elétrons são focados usando um feixe de laser modulado, então eles 'derivam' por outra passagem curta onde nenhuma força age sobre eles, antes de finalmente serem acelerados, o que permite que eles sejam guiados para frente.

Em seu experimento, os cientistas da FAU e da TU Darmstadt incorporaram uma colunata de pilares ovais com pequenas lacunas em intervalos regulares, resultando na repetição de macro células. Cada macro-célula tem um efeito de foco ou desfocagem nas partículas, dependendo do atraso entre o laser incidente, o elétron, e a lacuna que cria a seção de deriva. Esta configuração permite o controle preciso do espaço de fase do elétron na escala ultra-temporal óptica ou femto-segundo (um femto-segundo corresponde a um milionésimo de bilionésimo de segundo). No experimento, brilhar um laser na estrutura mostra um aumento na corrente do feixe através da estrutura. Se um laser não for usado, os elétrons não são guiados e, gradualmente, colidem com as paredes do canal. "É muito emocionante, "diz o físico da FAU Johannes Illmer, co-autor da publicação. "A título de comparação, o grande colisor de hádrons do CERN usa 23 dessas células em um 2, Curva de 450 metros de comprimento. Nossa nanoestrutura usa cinco células de ação semelhante em apenas 80 micrômetros. "

Quando podemos esperar ver o primeiro acelerador DLA?

"Os resultados são extremamente significativos, mas para nós é apenas uma etapa provisória, "explica o Dr. Roy Shiloh, "e nosso objetivo final é claro:queremos criar um acelerador totalmente funcional - em um microchip."

O trabalho nesta área está sendo conduzido pela colaboração internacional 'acelerador em um chip' (ACHIP), dos quais os autores são membros. A colaboração já provou que, em teoria, O APF pode ser ajustado para atingir a aceleração dos feixes de elétrons. Complexo, configurações tridimensionais APF poderiam, portanto, formar a base para a tecnologia de acelerador de partículas do futuro. "Temos que capturar os elétrons em todas as três dimensões se quisermos acelerá-los em distâncias mais longas sem nenhuma perda, "explica o Dr. Uwe Niedermayer de TU Darmstadt, e coautor da publicação.