Fig. 1a:Schema dell'accelerazione diretta dell'elettrone in un campo laser e sua realizzazione nell'esperimento. Credito:Forschungsverbund Berlin e.V. (FVB)
L'accelerazione diretta controllata degli elettroni in campi laser molto forti può offrire una strada verso acceleratori ultracompatti. Tale accelerazione diretta richiede la rettifica e il disaccoppiamento del campo laser elettromagnetico oscillante dagli elettroni in modo opportuno. I ricercatori di tutto il mondo cercano di affrontare questa sfida. Negli esperimenti al Max Born Institute, L'accelerazione laser diretta degli elettroni potrebbe ora essere dimostrata e compresa in dettaglio in teoria. Questo concetto è un passo importante verso la creazione di impulsi di elettroni relativistici e ultracorti entro distanze di accelerazione molto brevi inferiori a un millimetro. Gli elettroni compatti risultanti e le relative sorgenti di raggi X hanno un ampio spettro di applicazioni in spettroscopia, analisi strutturale, scienze biomediche e per le nanotecnologie.
Il modo in cui gli elettroni possono essere accelerati fino a energie cinetiche relativistiche in forti campi laser è una questione fondamentale nella fisica dell'interazione luce-materia. Sebbene i campi elettromagnetici di un impulso laser costringano un elettrone libero precedentemente a riposo a oscillazioni con velocità estremamente elevate, queste oscillazioni cessano nuovamente quando l'impulso luminoso è passato. Un trasferimento netto di energia da una tale accelerazione diretta di una particella carica nel campo laser non può aver luogo. Questo principio fondamentale - spesso discusso negli esami di fisica - è valido per determinate condizioni al contorno dell'estensione spaziale e dell'intensità dell'impulso laser. Solo per particolari, diverse condizioni al contorno, gli elettroni possono infatti ricevere un trasferimento netto di energia tramite accelerazione dal forte campo laser. Queste condizioni possono essere impostate ad es. focalizzando l'impulso laser o la presenza di forti campi elettrostatici in un plasma.
In tutto il mondo, gli scienziati stanno cercando soluzioni per estrarre velocemente gli elettroni da campi laser estremamente forti e come ottenere brevi impulsi di elettroni con un'elevata densità di carica tramite impulsi laser ultracorti.
In campi leggeri di intensità relativistica (I> 10 18 l/cm 2 ) gli elettroni oscillano con velocità prossime a quella della luce. L'energia cinetica corrispondente raggiunge valori da MeV a GeV (a I> 10 22 l/cm 2 . Forti campi luminosi vengono realizzati focalizzando impulsi laser ultracorti ad alta energia fino ad aree di pochi micrometri. La distribuzione spaziale dell'intensità che ne risulta consente già l'accelerazione degli elettroni fino a energie cinetiche elevate. Questo processo è noto come accelerazione ponderomotrice. È un processo essenziale per l'interazione tra forti campi di luce e materia. Vari studi teorici, però, hanno previsto che il numero di elettroni e la loro energia cinetica possono essere ulteriormente aumentati in modo significativo da un'accelerazione diretta nel campo laser, ma solo se l'interazione elettrone-luce viene interrotta in modo adeguato. Queste considerazioni sono state il punto di partenza per gli esperimenti di Julia Braenzel e dei suoi colleghi del Max Born Institute.
Fig. 1b:Elettroni rilevati nella direzione di propagazione del laser da una configurazione target a singolo (F1) e doppio foglio (F1F2), dove la lamina soncond funge da separatore. I fogli di plastica utilizzati avevano uno spessore di circa F1=35 nm e F2=85 nm. I valori N e rappresentano i numeri di elettroni integrati per l'intero intervallo di rilevamento (0, 2-7, 5 MeV) rispetto all'apertura dello spettrometro. Credito:Forschungsverbund Berlin e.V. (FVB)
Negli esperimenti all'MBI, gli elettroni sono stati disaccoppiati dall'impulso luminoso in un particolare momento nel tempo, utilizzando un foglio separatore opaco per la luce laser ma in grado di trasmettere elettroni veloci. Potremmo dimostrare che questo metodo porta ad un aumento del numero di elettroni con alte velocità. All'inizio, un impulso laser Ti:Zaffiro da 70 TW (2 J @ 35 fs) irradia una lamina bersaglio sottile da 30 - 100 nm costituita da un polimero PVF. Nella direzione di propagazione del laser, circa 109 elettroni vengono accelerati fino a diversi MeV di energia tramite la forza ponderomotrice. Durante questa interazione la lamina viene quasi completamente ionizzata e trasformata in plasma.
Per spessori di lamina bersaglio sufficientemente sottili inferiori a 100 nm, una frazione della luce laser incidente può essere trasmessa attraverso il plasma. La luce trasmessa inizia a superare gli elettroni già emessi in questa direzione. Ciò corrisponde a un'iniezione quasi intrinsecamente sincronizzata di elettroni lenti nel segnale trasmesso, ma ancora campo laser relativistico ( <8 x 10 18 l/cm 2 ). Se un secondo foglio separatore sottile viene posizionato alla giusta distanza dietro il primo, si osserva un'amplificazione nel segnale elettronico per un particolare intervallo di energia. La Fig. 1a) mostra uno schema dell'evoluzione temporale nell'esperimento e la Fig. 1b) presenta un confronto diretto della distribuzione spettrale degli elettroni rilevati per una configurazione a lamina singola e doppia, dove il secondo foglio funge da separatore. Questa lamina è opaca per la luce laser ma è trasparente per gli elettroni veloci e quindi consente il disaccoppiamento di entrambi. Il tempo in cui si interrompe l'interazione tra elettroni e luce trasmessa dipende dalla distanza tra le due lamine.
Gli esperimenti condotti nel gruppo di Matthias Schnürer dimostrano che si può ottenere un'amplificazione del segnale dell'elettrone che viene massimizzata per una particolare distanza. L'amplificazione svanisce per distanze molto grandi. Numerose misurazioni e simulazioni numeriche hanno confermato l'ipotesi che elettroni ad alta energia cinetica possano effettivamente essere estratti dal campo luminoso se opportunamente disaccoppiati. Se i fogli di separazione si trovano in una posizione ottimizzata, gli elettroni lenti con energie cinetiche inferiori a 100 keV vengono accelerati a energie cinetiche circa dieci volte superiori. Questo effetto porta ad una concentrazione di elettroni in un intervallo di energia ristretto. A differenza degli esperimenti che utilizzano il diverso meccanismo di accelerazione del campo di scia laser, dove è già stata dimostrata la produzione di elettroni GeV, l'accelerazione laser diretta dimostrata qui può essere scalata fino a intensità laser elevate e densità di plasma elevate. Al di là dell'intuizione fondamentale nelle interazioni laser-materia, l'accelerazione laser diretta dimostrata in questo lavoro è promettente per la futura realizzazione di sorgenti compatte di elettroni relativistici.
