En ny laserdrevet enhet som både kan begrense og akselerere elektroner over avstander på omtrent en millimeter er utviklet av forskere i USA. Ved å kombinere fremskritt innen nanovitenskap, lasere og vakuumteknologi, Payton Broaddus og kolleger ved Stanford University sier de har utviklet den høyeste ytelsen dielektriske laserakseleratoren (DLA) til dags dato.

I tillegg til å drive ladede partikler som elektroner til høye kinetiske energier, må en nyttig akselerator også være i stand til å begrense partiklene til en smal stråle. Videre må strålen også være så nær monoenergetisk som mulig.

I moderne anlegg gjøres dette vanligvis ved hjelp av radiofrekvens (RF) hulrom som er belagt med kobber eller nylig med en superleder som niob. Når de drives av kraftige RF-signaler, utvikler disse resonanshulene svært høye spenninger som akselererer partikler med svært spesifikke energier. Det er imidlertid fysiske grenser for de maksimale partikkelenergiene som kan oppnås på denne måten.

"Å gjøre de elektromagnetiske feltene for store kan føre til skade på [hulrommets] vegger, noe som ødelegger maskinen," forklarer Broaddus. "Dette er for tiden en stor begrensning i alle konvensjonelle akseleratorer og begrenser den sikre akselerasjonsgradienten til titalls megaelektronvolt per meter." Dette er faktisk hovedårsaken til at akseleratorer blir stadig større og dyrere for å oppnå høyere partikkelenergier.

Alternative akseleratordesign

For å lage mer kompakte enheter, utforsker forskere over hele verden en rekke alternative akseleratorteknologier, med mål om å oppnå høyest mulig akselerasjonsgradient over den korteste avstanden.

En lovende teknologi er DLA, som først ble unnfanget på 1950-tallet. I stedet for å rette et RF-signal mot et ledende hulrom, innebærer en DLA å skyte en laser over en liten kanal i et dielektrisk materiale. Dette skaper et vekslende elektrisk felt i kanalen, som fungerer som et resonanshulrom. Ved å optimalisere nanostrukturen i hulrommet og ved den forsiktige timingen av når elektroner sendes gjennom kanalen, akselereres partiklene.

Mens fysikken til dette oppsettet stort sett er lik mer konvensjonelle akseleratordesign, tilbyr den en mye høyere akselerasjonsgradient. Dette kan brukes til å krympe størrelsen på akseleratorer – i det minste i prinsippet.

"Feltene disse dielektrikene kan overleve fra lasere er én til to størrelsesordener høyere enn hva kobber kan håndtere fra RF-bølger, og kan derfor teoretisk ha en akselerasjonsgradient én til to størrelsesordener høyere," forklarer Broaddus. Han påpeker imidlertid at å krympe bredden på hulrommet med seks størrelsesordener introduserer utfordringer – inkludert hvordan man holder elektronene innesperret i en stråle, og ikke får dem til å krasje inn i hulrommets vegger.

Nå har Broaddus og medarbeidere tatt tak i denne utfordringen ved å trekke på tre teknologiske fremskritt. Disse er evnen til å lage svært presise halvledernanostrukturer; evnen til å produsere lyse, koherente femtosekund laserpulser med stabile repetisjonshastigheter; og evnen til å opprettholde ultrahøyt vakuum innenfor millimeterlange halvlederhulrom.

Nye nanostrukturer og pulser

Ved den nøye utformingen av nanostrukturene og bruken av spesialformede laserpulser, var teamet i stand til å skape elektriske felt i deres nye hulrom som fokuserer elektroner til en stråle.

Dette tillot teamet å akselerere en begrenset stråle av elektroner en avstand på 0.708 mm, og øke energien med 24 keV. "Dette representerer en økning i begge verdiene sammenlignet med tidligere akseleratorer," forklarer Broaddus.

Basert på deres siste prestasjon, er teamet sikre på at DLAer kan forbedre forskernes evne til å oppnå sub-relativistiske elektronenergier. "DLA-er kan nå behandles som en faktisk akseleratorteknologi, der vi kan trekke ut tradisjonelle akseleratorparametere fra enhetene våre og som kan sammenlignes med andre akseleratorteknologier," forklarer Broaddus.

I sin tur kan disse forbedringene bane vei for nye oppdagelser innen grunnleggende fysikk, og kan til og med tilby nye fordeler innen felt inkludert industri og medisin.

Forskningen er beskrevet i Physical Review Letters.

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk deg selv. Tilgang her.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• PlatoESG. Karbon, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Avfallshåndtering. Tilgang her.
• PlatoHelse. Bioteknologisk og klinisk etterretning. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/dielectric-laser-accelerator-creates-focused-electron-beam/