Onderzoekers in de VS hebben een nieuw laseraangedreven apparaat ontwikkeld dat elektronen zowel kan opsluiten als versnellen over afstanden van ongeveer een millimeter. Door de vooruitgang op het gebied van nanowetenschappen, lasers en vacuümtechnologie te combineren, Payton Broaddus en collega's van Stanford University zeggen dat ze de best presterende diëlektrische laserversneller (DLA) tot nu toe hebben ontwikkeld.
Een nuttige versneller moet niet alleen geladen deeltjes zoals elektronen tot hoge kinetische energieën aandrijven, maar ook in staat zijn de deeltjes in een smalle straal te houden. Bovendien moet de straal ook zo dicht mogelijk bij mono-energetisch mogelijk zijn.
In moderne faciliteiten wordt dit meestal gedaan met behulp van radiofrequentie (RF) holtes die zijn bedekt met koper of recenter met een supergeleider zoals niobium. Wanneer ze worden aangedreven door krachtige RF-signalen, ontwikkelen deze resonantieholtes zeer hoge spanningen die deeltjes een zeer specifieke energie versnellen. Er zijn echter fysieke grenzen aan de maximale deeltjesenergieën die op deze manier kunnen worden bereikt.
“Het te groot maken van de elektromagnetische velden kan leiden tot schade aan de [holte]wanden, waardoor de machine kapot gaat”, legt Broaddus uit. “Dit is momenteel een grote beperking bij alle conventionele versnellers en beperkt de veilige versnellingsgradiënt tot tientallen mega-elektronvolts per meter.” Dit is inderdaad de belangrijkste reden waarom versnellers steeds groter en duurder worden om hogere deeltjesenergieën te bereiken.
Alternatieve versnellerontwerpen
Om compactere apparaten te maken, onderzoeken onderzoekers over de hele wereld een verscheidenheid aan alternatieve versnellertechnologieën, met als doel de hoogst mogelijke versnellingsgradiënt over de kortste afstand te bereiken.
Een veelbelovende technologie is de DLA, die voor het eerst werd bedacht in de jaren vijftig. In plaats van een RF-signaal naar een geleidende holte te sturen, omvat een DLA het afvuren van een laser over een klein kanaal in een diëlektrisch materiaal. Hierdoor ontstaat er een wisselend elektrisch veld binnen het kanaal, dat fungeert als een resonantieholte. Door de nanostructuur van de holte te optimaliseren en door de zorgvuldige timing van wanneer elektronen door het kanaal worden gestuurd, worden de deeltjes versneld.
Hoewel de fysica van deze opstelling in grote lijnen vergelijkbaar is met die van meer conventionele versnellerontwerpen, biedt deze een veel hogere versnellingsgradiënt. Dit zou kunnen worden gebruikt om de omvang van versnellers te verkleinen – althans in principe.
“De velden die deze diëlektrica kunnen overleven van lasers zijn één tot twee ordes van grootte hoger dan wat koper aankan met RF-golven, en kunnen dus theoretisch een versnellingsgradiënt hebben die één tot twee ordes van grootte hoger is”, legt Broaddus uit. Hij wijst er echter op dat het verkleinen van de breedte van de holte met zes ordes van grootte uitdagingen met zich meebrengt, waaronder hoe je de elektronen in een straal opgesloten kunt houden, en hoe je ze niet tegen de wanden van de holte laat botsen.
Nu hebben Broaddus en collega's deze uitdaging aangepakt door gebruik te maken van drie technologische ontwikkelingen. Dit zijn de mogelijkheden om zeer nauwkeurige halfgeleidernanostructuren te creëren; het vermogen om heldere, coherente femtoseconde-laserpulsen te produceren met stabiele herhalingsfrequenties; en het vermogen om een ultrahoog vacuüm te handhaven binnen halfgeleiderholtes van millimeterslengte.
Nieuwe nanostructuren en pulsen
Door het zorgvuldige ontwerp van de nanostructuren en het gebruik van speciaal gevormde laserpulsen kon het team elektrische velden creëren in hun nieuwe holte die elektronen in een straal focusseren.
Hierdoor kon het team een beperkte elektronenbundel over een afstand van 0.708 mm versnellen, waardoor de energie ervan met 24 keV werd verhoogd. “Dit vertegenwoordigt een orde van grootte toename in beide cijfers van verdienste vergeleken met eerdere accelerators”, legt Broaddus uit.
Accelerator-on-a-chip gemaakt door inverse-design-algoritme
Op basis van hun laatste prestatie heeft het team er vertrouwen in dat DLA's het vermogen van onderzoekers om subrelativistische elektronenenergieën te bereiken enorm kunnen verbeteren. “DLA's kunnen nu worden behandeld als een daadwerkelijke versnellertechnologie, waarbij we traditionele versnellerparameters uit onze apparaten kunnen extraheren en die kunnen worden vergeleken met andere versnellertechnologieën”, legt Broaddus uit.
Deze verbeteringen kunnen op hun beurt de weg vrijmaken voor nieuwe ontdekkingen in de fundamentele natuurkunde, en kunnen zelfs nieuwe voordelen bieden op terreinen als de industrie en de geneeskunde.
Het onderzoek is beschreven in Physical Review Letters.
- Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
- PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
- PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
- PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
- Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
- Bron: https://physicsworld.com/a/dielectric-laser-accelerator-creates-focused-electron-beam/
