Uno degli argomenti studiati in recenti studi di fisica è l'elettrodinamica quantistica a campo forte (SF-QED). Finora, questa zona è stata raramente esplorata prima, principalmente perché l'osservazione sperimentale dei processi SF-QED richiederebbe intensità luminose estremamente elevate (> 10 ²⁵ l/cm ² ), oltre tre ordini di grandezza superiori a quelli ottenuti utilizzando i laser di classe PetaWatt (PW) più intensi oggi disponibili.

Un processo SF-QED che si è rivelato particolarmente difficile da osservare è il processo Schwinger. Questo è un processo che si verifica vicino al cosiddetto limite di Schwinger (10 ²⁹ /cm ² ), che è associato alla rottura ottica del vuoto quantistico e alla produzione di prolifici plasmi di coppie di elettroni/positroni.

Per osservare il processo di Schwinger, così come altri processi SF-QED, i fisici dovrebbero essere in grado di raggiungere intensità luminose superiori a 10 ²⁵ l/cm ² e fino a 10 ²⁹ /cm ² . Un modo possibile per produrre questi forti campi di luce potrebbe essere quello di riflettere impulsi laser ad alta potenza da uno specchio relativistico curvo, specchi in plasmi costituiti da sottili strati di elettroni densi accelerati da onde elettromagnetiche ad alta intensità.

I ricercatori del Laboratorio di interazioni e dinamiche laser (LIDYL) della Commissione francese per l'energia atomica (CEA) hanno recentemente dimostrato che tali specchi relativistici curvi possono essere prodotti quando un impulso laser molto intenso ionizza un bersaglio solido e crea un plasma denso che riflette la luce incidente . La loro carta, pubblicato in Fisica della natura , potrebbe avere importanti implicazioni per la ricerca futura finalizzata all'osservazione dei processi SF-QED.

"Recentemente, il nostro gruppo ha proposto un nuovo modo per aumentare significativamente le intensità degli attuali laser ad alta potenza di oltre tre ordini di grandezza, utilizzando notevoli elementi ottici chiamati "specchi al plasma relativistici", " Enrico Vincenti, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, detto Phys.org . "Questi specchi possono essere ottenuti focalizzando un laser ad alta potenza su un bersaglio inizialmente solido e otticamente piatto".

Essenzialmente, Vincenti e i suoi colleghi hanno teorizzato che quando un laser ad alta potenza è focalizzato su un inizialmente solido, bersaglio otticamente piatto, crea un plasma denso a fuoco laser. Questo plasma può riflettere specularmente la luce incidente.

"Dopo aver riflettuto su questo 'specchio plasma', il campo elettrico del laser fa oscillare la sua superficie a velocità relativistiche, formando così quello che chiamiamo uno specchio oscillante relativistico (ROM), " ha detto Vincenti. "Questa ROM comprime periodicamente la luce riflessa a sua volta tramite il cosiddetto effetto Doppler. Questa compressione periodica produce un treno di impulsi luminosi sub-femtosecondi o attosecondi, associato ad uno spettro armonico Doppler nel dominio della frequenza."

Oltre a questa "compressione temporale", il raggio laser incidente induce una pressione di radiazione spazialmente disomogenea sulla superficie dello specchio al plasma, dove l'intensità del laser è maggiore al centro del punto focale del laser rispetto ai bordi. Questa pressione di radiazione alla fine curva la superficie dello specchio al plasma. Questa osservazione potrebbe quindi aprire nuove possibilità per l'esplorazione dei processi SF-QED negli esperimenti che utilizzano la tecnologia laser.

"L'obiettivo principale del nostro recente lavoro era dimostrare che la ROM curvata dalla pressione di radiazione può temporaneamente comprimere un laser ad alta potenza e focalizzare il contenuto armonico spostato verso l'alto con il Doppler con un'eccellente qualità ottica, " ha detto Vincenti. "Per raggiungere questo obiettivo, proponiamo una nuova tecnica di misurazione per caratterizzare completamente il profilo spazio-temporale della luce riflessa da uno specchio al plasma negli esperimenti".

L'obiettivo iniziale del recente studio di Quéré, Vincenti e i loro colleghi dovevano caratterizzare le proprietà spazio-temporali delle sorgenti luminose a specchio al plasma, per consentirne l'uso in esperimenti. La caratterizzazione di queste proprietà sarebbe, ad esempio, consentire ai ricercatori di concentrare le sorgenti luminose a specchio di plasma su campioni di materia per raggiungere regimi dominati da SF-QED o utilizzarli per eseguire esperimenti di pompa ad attosecondi e sondare la dinamica degli elettroni negli atomi. Inoltre, i ricercatori speravano che il loro lavoro avrebbe consentito il confronto delle misurazioni raccolte in esperimenti passati con modelli teorici e numerici esistenti di sorgenti di specchi di plasma.

"Fino ad ora, le tecniche di misurazione erano in grado di recuperare solo informazioni temporali o informazioni spaziali ma non entrambe contemporaneamente, " disse Vincenti. "Per informazioni spaziali, una tecnica comunemente utilizzata si chiama 'pticografia' e consente una completa caratterizzazione spaziale di una sorgente luminosa a diversa lunghezza d'onda."

La ptychography consente ai ricercatori di ottenere una caratterizzazione spaziale completa delle sorgenti luminose posizionando un oggetto nel campo vicino scansionato attraverso un raggio di luce in diverse posizioni su un dato piano. Esaminando l'evoluzione del modello di diffrazione nel campo lontano, in funzione della posizione dell'oggetto nel piano, potenzialmente utilizzando un algoritmo di recupero di fase, i ricercatori possono recuperare l'ampiezza spaziale e la fase sia dell'oggetto che della sorgente luminosa.

Mentre molti fisici hanno usato la pticografia in passato, questa tecnica in genere non consente ai ricercatori di recuperare informazioni temporali, poiché l'oggetto posto nel campo vicino è fisso. Quéré, Vincenti e i loro colleghi hanno quindi ideato una tecnica alternativa che avrebbe consentito ai fisici di recuperare anche informazioni temporali sull'oggetto e sulla fonte di luce. Questa tecnica prevede la creazione di un oggetto tticografico in grado di muoversi sulla scala temporale degli attosecondi, consentendo il recupero di informazioni sia spaziali che temporali.

"Questo oggetto può essere ottenuto utilizzando un secondo raggio di luce di frequenza 2 omega (essendo omega la frequenza dell'impulso laser principale) focalizzato ad un angolo rispetto al raggio laser principale, " disse Quéré. "Sondando il ritardo tra i due raggi, si può cambiare la posizione dell'oggetto rispetto al tempo di emissione dei successivi impulsi ad attosecondi emessi dallo specchio al plasma. È quindi possibile ottenere un algoritmo di recupero di fase per recuperare il profilo spazio-temporale completo della luce riflessa dallo specchio al plasma".

Usando la tecnica che hanno sviluppato, soprannominata 'tticografia dinamica', Quéré e i suoi colleghi sono stati in grado di recuperare l'ampiezza spazio-temporale e il profilo di fase degli impulsi ad attosecondi emessi dagli specchi di plasma a intensità sia moderate che ultra elevate.

In definitiva, la tecnica proposta da questo team di ricercatori potrebbe aiutare la ricerca per raggiungere elevate intensità luminose utilizzando specchi al plasma. Ad esempio, potrebbe aiutare i fisici a stimare l'intensità che può essere ottenuta utilizzando specchi al plasma con alti livelli di precisione, consentendo loro anche di correlare queste misurazioni con i processi SF-QED osservati in esperimenti passati (ad es. coppie elettrone/positrone, raggi gamma, eccetera.).

"Finora, abbiamo applicato con successo la tticografia dinamica a laser di classe 100TeraWatt, " ha detto Vincenti. "Il prossimo importante traguardo sarà implementarlo su strutture laser di classe PW, su cui si prevede che l'aumento di intensità da parte degli specchi al plasma relativistici sia di ordini di grandezza superiore".

© 2021 Science X Network