Gli acceleratori di particelle sono strumenti essenziali in aree di ricerca come la biologia, scienza dei materiali e fisica delle particelle. I ricercatori sono sempre alla ricerca di modi più potenti per accelerare le particelle per migliorare le apparecchiature esistenti e aumentare le capacità per gli esperimenti. Una di queste potenti tecnologie è l'accelerazione laser dielettrica (DLA). In questo approccio, le particelle vengono accelerate nel campo vicino ottico che viene creato quando impulsi laser ultracorti vengono focalizzati su una struttura nanofotonica. Usando questo metodo, ricercatori della cattedra di fisica laser presso la Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) sono riusciti a guidare gli elettroni attraverso un canale del vuoto, un componente essenziale degli acceleratori di particelle. Il progetto di base del canale della nanostruttura fotonica è stato sviluppato dal partner di cooperazione TU Darmstadt. Ora hanno pubblicato i loro risultati congiunti sulla rivista Natura .

Rimanere concentrato

Poiché le particelle cariche tendono ad allontanarsi l'una dall'altra man mano che si diffondono, tutte le tecnologie di accelerazione affrontano la sfida di mantenere le particelle entro i limiti spaziali e temporali richiesti. Di conseguenza, gli acceleratori di particelle possono essere lunghi fino a dieci chilometri, e richiedono anni di preparazione e costruzione prima che siano pronti per l'uso, per non parlare dei grandi investimenti coinvolti. Accelerazione laser dielettrica, o DLA, utilizza la tecnologia laser ultraveloce e i progressi nella produzione di semiconduttori per ridurre potenzialmente questi acceleratori a pochi millimetri o centimetri di dimensione.

Un approccio promettente:gli esperimenti hanno già dimostrato che il DLA supera le tecnologie attualmente utilizzate di almeno 35 volte. Ciò significa che la lunghezza di un potenziale acceleratore potrebbe essere ridotta dello stesso fattore. Fino ad ora, però, non era chiaro se queste cifre potessero essere aumentate per strutture sempre più lunghe.

Un team di fisici guidato dal Prof. Dr. Peter Hommelhoff della Cattedra di Fisica Laser presso la FAU ha compiuto un importante passo avanti verso l'adattamento del DLA per l'uso in acceleratori completamente funzionali. Il loro lavoro è il primo a definire uno schema che può essere utilizzato per guidare gli impulsi di elettroni su lunghe distanze.

La tecnologia è fondamentale

Lo schema, noto come "focalizzazione in fase alternata" (APF) è un metodo preso dai primi giorni della teoria degli acceleratori. Una legge fondamentale della fisica significa che focalizzare le particelle cariche in tutte e tre le dimensioni contemporaneamente:larghezza, altezza e profondità, è impossibile. Però, ciò può essere evitato focalizzando alternativamente gli elettroni in diverse dimensioni. Prima di tutto, gli elettroni vengono focalizzati utilizzando un raggio laser modulato, poi 'deviano' attraverso un altro breve passaggio dove nessuna forza agisce su di loro, prima che siano finalmente accelerati, che permette loro di essere guidati in avanti.

Nel loro esperimento, gli scienziati della FAU e della TU Darmstadt hanno incorporato un colonnato di pilastri ovali con brevi spazi vuoti a intervalli regolari, con conseguente ripetizione di macro celle. Ogni macrocella ha un effetto di focalizzazione o defocalizzazione sulle particelle, a seconda del ritardo tra il laser incidente, l'elettrone, e il divario che crea la sezione di deriva. Questa configurazione consente un controllo preciso dello spazio di fase dell'elettrone sull'ultra scala temporale ottica o del femtosecondo (un femtosecondo corrisponde a un milionesimo di miliardesimo di secondo). Nell'esperimento, puntare un laser sulla struttura mostra un aumento della corrente del raggio attraverso la struttura. Se non si utilizza un laser, gli elettroni non sono guidati e si schiantano gradualmente contro le pareti del canale. "È molto eccitante, " dice il fisico della FAU Johannes Illmer, coautore della pubblicazione. "A titolo di confronto, il grande collisore Hadron al CERN utilizza 23 di queste celle in un 2, Curva lunga 450 metri. La nostra nanostruttura utilizza cinque celle ad azione simile in soli 80 micrometri".

Quando possiamo aspettarci di vedere il primo acceleratore DLA?

"I risultati sono estremamente significativi, ma per noi è davvero solo un passaggio intermedio, " spiega il dottor Roy Shiloh, "e il nostro obiettivo finale è chiaro:vogliamo creare un acceleratore completamente funzionante, su un microchip".

Il lavoro in questo settore è guidato dalla collaborazione internazionale "accelerator on a chip" (ACHIP), di cui gli autori sono membri. La collaborazione ha già dimostrato che, in teoria, L'APF può essere regolato per ottenere l'accelerazione dei fasci di elettroni. Complesso, le configurazioni APF tridimensionali potrebbero quindi costituire la base per la tecnologia degli acceleratori di particelle del futuro. "Dobbiamo catturare gli elettroni in tutte e tre le dimensioni se vogliamo essere in grado di accelerarli su lunghe distanze senza perdite, " spiega il Dr. Uwe Niedermayer di TU Darmstadt, e coautore della pubblicazione.