A observação direta de ondas de plasma altamente não lineares

A onda de plasma altamente não linear (cor verde) impulsionada por um pulso de laser forte atinge o ponto de quebra da onda, onde uma fração dos elétrons do plasma (cor vermelha) é capturada pelo campo de vigília e acelerada. Crédito:Igor Andriyash, Yang Wan e Victor Malka.

Nas últimas décadas, físicos e engenheiros vêm tentando criar aceleradores laser-plasma cada vez mais compactos, uma tecnologia para estudar as interações de matéria e partículas produzidas por interações entre feixes de laser ultrarrápidos e plasma. Esses sistemas são uma alternativa promissora às máquinas de grande escala existentes baseadas em sinais de radiofrequência, pois podem ser muito mais eficientes na aceleração de partículas carregadas.
Embora os aceleradores de laser-plasma ainda não sejam amplamente empregados, vários estudos destacaram seu valor e potencial. Para otimizar a qualidade do feixe de laser acelerado produzido por esses dispositivos, no entanto, os pesquisadores precisarão monitorar vários processos físicos ultrarrápidos em tempo real.

Pesquisadores do Weizmann Institute of Science (WIS) em Israel desenvolveram recentemente um método para observar diretamente ondas de plasma relativísticas não lineares e a laser em tempo real. Usando este método, introduzido em um artigo publicado em Nature Physics , eles foram capazes de caracterizar o plasma não linear em resoluções temporais e espaciais incrivelmente altas.

“Imaginar uma onda de plasma micrométrica acionada por laser que funciona na velocidade da luz é muito desafiador, implicando o uso de pulsos ultracurtos de luz ou feixes de partículas carregadas”, Yang Wan, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse Phys.org. “Enquanto a luz pode revelar estruturas na densidade do plasma, os feixes de partículas sondam os campos internos das ondas do plasma e podem assim nos dar muito mais informações sobre o estado dessas ondas, ou seja, sua capacidade de injetar e acelerar os elétrons do plasma”.

O trabalho recente de Wan e seus colegas é baseado em um estudo anterior de prova de princípio que ele conduziu com sua ex-equipe de pesquisa da Universidade de Tsinghua, na China. Este estudo anterior confirmou essencialmente a viabilidade de imagens de ondas senoidais lineares mais fracas (ou seja, representações naturais de quantas coisas e sistemas na natureza mudam de estado ao longo do tempo).

"Para observar diretamente a onda de plasma altamente não linear que é mais popularmente usada para aceleração de elétrons, construímos dois aceleradores de plasma de laser de alta potência usando nosso sistema de laser duplo de 100 TW no WIS", explicou Wan. "Este sistema produz uma sonda de elétrons de alta carga de alta energia e a outra produz um campo de vigília de plasma altamente não linear a ser sondado. ondas de plasma não lineares."

O objetivo inicial do experimento conduzido por Wan e seus colegas da WIS era observar as ondas de plasma em detalhes. Depois de fazer isso, no entanto, a equipe percebeu que as ondas de plasma não lineares desviavam as partículas da sonda de maneiras mais interessantes e surpreendentes, agindo através de campos elétricos e magnéticos.

"Ao decifrar essas informações com modelos teóricos e numéricos, identificamos as características que se correlacionam diretamente com o pico de elétrons denso na parte traseira da 'bolha de plasma' formada", disse Wan. "Até onde sabemos, esta é a primeira medição de tais estruturas finas dentro da onda de plasma não linear."

Wan e seus colegas posteriormente aumentaram a potência do laser do driver usado em seu experimento. Isso permitiu que eles identificassem a chamada "quebra de ondas", o estado após o qual uma onda de plasma não pode mais crescer, então captura elétrons de plasma em seu campo de aceleração. A quebra de ondas é um fenômeno físico fundamental, particularmente no plasma.

"A primeira conquista importante do nosso trabalho é a imagem dos campos extremamente fortes de plasmas relativísticos, uma vez que explora uma característica única de tais aceleradores de plasma de laser - a duração do feixe de poucos femtossegundos e o tamanho da fonte do feixe de micrômetros, que fornecem ultra -alta resolução espaço-temporária para capturar os fenômenos microscópicos que ocorrem na velocidade da luz", disse Wan. "Ao criar imagens da onda de plasma, também observamos diretamente o sutil processo de 'quebra de onda', que foi uma experiência maravilhosa."

Notavelmente, a medição coletada por essa equipe de pesquisadores seria impossível de alcançar usando qualquer um dos aceleradores convencionais existentes baseados na tecnologia de radiofrequência. No futuro, seu trabalho poderia inspirar outras equipes a desenvolver métodos experimentais semelhantes para observar ainda mais as muitas nuances do plasma.

"A quebra de ondas também é crucial para aceleradores baseados em plasma, devido à produção de elétrons relativísticos a partir da autoinjeção", disse Wan. "Esse mecanismo de injeção é bastante importante em aceleradores multi-GeV de estágio único, onde é difícil manter a injeção controlada por um longo tempo de operação."

Este trabalho recente de Wan e seus colegas pode ter inúmeras implicações importantes para o desenvolvimento e uso de aceleradores de laser-plasma. Mais notavelmente, introduz uma ferramenta valiosa para identificar o processo de auto-injeção de elétrons em tempo real, o que permitiria aos pesquisadores ajustar aceleradores e melhorar a qualidade de seus feixes.

“Agora temos uma ferramenta única e poderosa para explorar campos extremos para investigar muitas outras questões fundamentais em uma ampla gama de parâmetros de plasma que são relevantes para a física, incluindo wakefield acionado por feixe de partículas, interação feixe-plasma e dinâmica de plasma relacionada à fusão”, Prof. Victor Malka, o investigador principal do estudo e investigador principal do grupo, disse Phys.org. "O futuro é muito empolgante e estamos impacientes para aprofundar a exploração de fenômenos ricos em física de plasma." + Explorar mais