Negli ultimi decenni, fisici e ingegneri hanno cercato di creare acceleratori laser-plasma sempre più compatti, una tecnologia per studiare le interazioni tra materia e particelle prodotte dalle interazioni tra raggi laser ultraveloci e plasma. Questi sistemi sono un'alternativa promettente alle macchine esistenti su larga scala basate su segnali a radiofrequenza, poiché possono essere molto più efficienti nell'accelerare le particelle cariche.

Sebbene gli acceleratori laser-plasma non siano ancora ampiamente utilizzati, diversi studi ne hanno evidenziato il valore e il potenziale. Per ottimizzare la qualità del raggio laser accelerato prodotto da questi dispositivi, tuttavia, i ricercatori dovranno essere in grado di monitorare diversi processi fisici ultraveloci in tempo reale.

I ricercatori del Weizmann Institute of Science (WIS) in Israele hanno recentemente ideato un metodo per osservare direttamente le onde plasmatiche relativistiche guidate da laser e non lineari in tempo reale. Utilizzando questo metodo, introdotto in un articolo pubblicato su Nature Physics , sono stati in grado di caratterizzare il plasma non lineare a risoluzioni temporali e spaziali incredibilmente elevate.

"Immaginare un'onda di plasma micrometrica guidata da un laser che corre alla velocità della luce è molto impegnativo, poiché implica l'uso di impulsi di luce ultra brevi o grappoli di particelle cariche", Yang Wan, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Mentre la luce può rivelare strutture nella densità del plasma, i fasci di particelle sondano i campi interni delle onde plasmatiche e potrebbero quindi fornirci molte più informazioni sullo stato di queste onde, ovvero sulla loro capacità di iniettare e accelerare gli elettroni del plasma."

Il recente lavoro di Wan e dei suoi colleghi si basa su un precedente studio proof-of-principio condotto con il suo ex team di ricerca presso la Tsinghua University in Cina. Questo studio precedente ha sostanzialmente confermato la fattibilità dell'imaging di onde sinusoidali lineari più deboli (cioè rappresentazioni naturali di quante cose e sistemi in natura cambiano stato nel tempo).

"Per osservare direttamente l'onda plasma altamente non lineare che è più comunemente utilizzata per l'accelerazione degli elettroni, abbiamo costruito due acceleratori laser-plasma ad alta potenza utilizzando il nostro doppio sistema laser 100 TW a WIS", ha spiegato Wan. "Questo sistema produce una sonda elettronica ad alta energia ad alta carica e l'altra produce un wakefield plasma altamente non lineare da sondare. In questo studio esplorativo, abbiamo testato questa nuova tecnica di imaging fino ai suoi limiti, cercando le strutture di campo fine all'interno del onde plasmatiche non lineari."

L'obiettivo iniziale dell'esperimento condotto da Wan e dai suoi colleghi del WIS era osservare in dettaglio le onde plasmatiche. Dopo aver fatto ciò, tuttavia, il team si è reso conto che le onde plasmatiche non lineari hanno deviato le particelle della sonda in modi più interessanti e sorprendenti, agendo sia attraverso campi elettrici che magnetici.

"Durante la decifrazione di queste informazioni con modelli teorici e numerici, abbiamo identificato le caratteristiche che si correlano direttamente con il denso picco di elettroni sul retro della 'bolla di plasma' formata", ha detto Wan. "Per quanto ne sappiamo, questa è la prima misurazione di strutture così fini all'interno dell'onda plasmatica non lineare."

Wan e i suoi colleghi hanno successivamente aumentato la potenza del laser driver utilizzato nel loro esperimento. Ciò ha permesso loro di identificare la cosiddetta "interruzione d'onda", lo stato dopo il quale un'onda di plasma non può più crescere, quindi cattura invece gli elettroni del plasma nel suo campo di accelerazione. La rottura delle onde è un fenomeno fisico fondamentale, in particolare nel plasma.

"Il primo importante risultato del nostro lavoro è l'imaging dei campi estremamente forti dei plasmi relativistici, poiché sfrutta una caratteristica unica di tali acceleratori laser-plasma:la durata del raggio di pochi femtosecondi e la dimensione della sorgente del raggio micrometrica, che forniscono ultra -alta risoluzione spaziotemporale per catturare i fenomeni microscopici che corrono alla velocità della luce", ha detto Wan. "Con l'imaging dell'onda plasma, abbiamo anche osservato direttamente il sottile processo di 'rottura d'onda', che di per sé è stata un'esperienza meravigliosa."

Sorprendentemente, la misurazione raccolta da questo team di ricercatori sarebbe impossibile da ottenere utilizzando uno qualsiasi degli acceleratori convenzionali esistenti basati sulla tecnologia a radiofrequenza. In futuro, il loro lavoro potrebbe quindi ispirare altri team a ideare metodi sperimentali simili per osservare ulteriormente le molte sfumature del plasma.

"La rottura delle onde è cruciale anche per gli acceleratori basati sul plasma, a causa della produzione di elettroni relativistici dall'autoiniezione", ha affermato Wan. "Questo meccanismo di iniezione è piuttosto importante negli acceleratori multi-GeV a stadio singolo, dove è difficile mantenere l'iniezione controllata per un lungo periodo di funzionamento."

Questo recente lavoro di Wan e dei suoi colleghi potrebbe avere numerose importanti implicazioni per lo sviluppo e l'uso di acceleratori laser-plasma. In particolare, introduce uno strumento prezioso per identificare il processo di autoiniezione elettronica in tempo reale, che consentirebbe ai ricercatori di mettere a punto gli acceleratori e migliorare la qualità dei loro fasci.

"Ora abbiamo uno strumento unico e potente per esplorare campi estremi per studiare molte altre domande fondamentali in una gamma più ampia di parametri del plasma che sono rilevanti per la fisica, tra cui il wakefield guidato dal fascio di particelle, l'interazione fascio-plasma e la dinamica del plasma correlata alla fusione", Il professor Victor Malka, il ricercatore principale dello studio e ricercatore capo del gruppo, ha detto a Phys.org. "Il futuro è molto eccitante e siamo impazienti di approfondire l'esplorazione di ricchi fenomeni nella fisica del plasma". + Esplora ulteriormente

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