Gli impulsi laser ad alta potenza focalizzati su piccoli punti per raggiungere intensità incredibili consentono una varietà di applicazioni, che vanno dalla ricerca scientifica all'industria e alla medicina. Presso il Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA) Center, ad esempio, l'intensità è la chiave per costruire acceleratori di particelle migliaia di volte più brevi di quelli convenzionali che raggiungono la stessa energia. Però, gli acceleratori laser-plasma (LPA) richiedono un'intensità sostenuta su molti centimetri, non solo un punto focale che si espande rapidamente a causa della diffrazione.

Per raggiungere un'intensità sostenuta, il Centro BELLA, presso il Lawrence Berkeley National Laboratory del Dipartimento dell'Energia (Berkeley Lab), utilizza sottili strutture cave, o "capillari, " contenente un plasma per trasportare gli impulsi di luce. Gli scienziati del Centro BELLA si sono spinti verso capillari sempre più lunghi mentre si sforzano di ottenere energie del raggio più elevate con i loro LPA.

Il loro ultimo lavoro mostra, con una precisione mai vista prima, che queste guide d'onda al plasma sono estremamente stabili e di alta qualità riproducibile, e che queste caratteristiche possono essere mantenute su distanze fino a 40 centimetri. Conferma che questa tecnologia chiave per gli LPA può essere ampliata man mano che il BELLA Center spinge verso energie più elevate, beneficiando di potenziali applicazioni che vanno dalla ricerca e trattamento biomedico alle sorgenti luminose laser a elettroni liberi per le strutture di ricerca.

Il lavoro, condotto dalla studiosa post-dottorato Marlene Turner, lavorare con lo scienziato dello staff Anthony Gonsalves, è descritto in uno studio pubblicato sulla rivista Scienza e ingegneria laser ad alta potenza .

"Questo lavoro mostra che i capillari possono produrre bersagli di plasma estremamente stabili per l'accelerazione e che le variazioni osservate nelle prestazioni dell'acceleratore sono principalmente guidate dalla fluttuazione del laser, che indica la necessità di un controllo attivo del feedback laser, "ha detto Cameron Geddes, Direttore della Divisione Tecnologia degli Acceleratori e Fisica Applicata, organizzazione madre del Centro BELLA.

I canali al plasma forniscono una guida coerente a potenti impulsi

Le fibre ottiche possono trasportare impulsi del raggio laser per migliaia di chilometri, un principio familiare nelle moderne reti di computer. Però, con le elevate intensità laser utilizzate al BELLA Center (20 ordini di grandezza più intensi della luce solare sulla superficie terrestre), gli elettroni verrebbero rimossi quasi istantaneamente dai loro atomi genitori dal campo laser, distruggere materiali solidi come le fibre di vetro. La soluzione è usare il plasma, uno stato della materia in cui gli elettroni sono già stati rimossi dai loro atomi, come una "fibra".

Il Centro BELLA ha utilizzato i plasmi per guidare gli impulsi laser su distanze fino a 20 centimetri per ottenere le più alte energie delle particelle azionate dal laser fino ad oggi. Il plasma è creato da una scarica elettrica all'interno del capillare. È qui che gli elettroni "navigano" un'onda di campo elettrico ultraelevato creato dall'impulso laser. Più lunga è la messa a fuoco sostenuta, più veloci vanno alla fine della corsa.

Però, la rottura del gas in una scarica elettrica è un evento violento e in gran parte incontrollato (immagina un minuscolo, fulmine confinato). Tracciando un percorso verso energie sempre più elevate e un controllo di precisione presso il Centro BELLA, i ricercatori avevano bisogno di sapere quanto fossero riproducibili le caratteristiche di guida delle onde da un impulso laser all'altro, e quanto bene può essere guidato ogni impulso laser.

Per dare risultati di guida d'onda analoghi a una fibra ottica, la densità del plasma dovrebbe essere più bassa al centro, con un profilo matematicamente descritto come parabolico. "Abbiamo mostrato, con una precisione senza precedenti, che i profili al plasma sono davvero molto parabolici rispetto alle dimensioni dello spot dell'impulso laser per cui sono progettati, " ha detto Gonsalves. "Ciò consente la propagazione degli impulsi nella guida d'onda senza degrado della qualità".

Anche altri tipi di guide d'onda al plasma (ci sono diversi modi per crearli) possono essere misurati con alta precisione utilizzando questi metodi.

La precisione della misurazione era ideale anche per studiare quanto cambia il profilo di densità da un colpo laser all'altro, poiché sebbene il capillare sia durevole, il plasma che guida le onde al suo interno si forma di nuovo ogni volta. Il team ha riscontrato stabilità e riproducibilità eccezionali.

"Questi risultati, insieme al nostro lavoro in corso sul feedback attivo aiutato da tecniche di apprendimento automatico, sono un grande passo per migliorare la stabilità e l'usabilità degli acceleratori laser-plasma, " ha detto Eric Esarey, direttore del Centro BELLA. (Il feedback attivo per stabilizzare le fluttuazioni laser è anche oggetto di ricerca e sviluppo presso il Centro BELLA.)

Gli impulsi laser guidati illuminano un percorso verso il progresso

La tecnologia di accelerazione laser-plasma potrebbe ridurre le dimensioni e il costo degli acceleratori di particelle, aumentandone la disponibilità per ospedali e università, ad esempio, e infine portando questi vantaggi a un collisore di particelle di prossima generazione per la fisica delle alte energie. Una delle chiavi per aumentare la loro energia del fascio di particelle oltre l'attuale record di 8 miliardi di elettronvolt (GeV) è l'uso di canali acceleratori più lunghi; un altro è "messa in scena, " o l'uso dell'output di un modulo di accelerazione come input per un altro. La verifica della qualità del canale plasma in cui avviene l'accelerazione, e la coerenza e la riproducibilità di tale qualità, dà un voto di fiducia nella base tecnologica di questi piani.

Oltre a dimostrare che questa guida d'onda a base capillare è di qualità elevata e costante, questo lavoro ha coinvolto guide d'onda due volte più lunghe di quella utilizzata per ottenere energia da record. "Le guide d'onda di precisione lunghe 40 centimetri che abbiamo ora sviluppato potrebbero spingere quelle energie ancora più in alto, " ha detto Turner.