Αυτός είναι ο πρώτος επιταχυντής μίνι σωματιδίων που τροφοδοτεί ένα λέιζερ
Για 2 δεκαετίες, οι φυσικοί προσπάθησαν να μικροποιήσουν τους επιταχυντές σωματιδίων - τις τεράστιες μηχανές που χρησιμεύουν ως θρυμματιστές ατόμων και πηγές ακτίνων Χ. Αυτή η προσπάθεια μόλις έκανε ένα μεγάλο βήμα, καθώς οι φυσικοί στην Κίνα χρησιμοποίησαν έναν μικρό «επιταχυντή πεδίου πλάσματος» για να τροφοδοτήσουν έναν τύπο λέιζερ που ονομάζεται λέιζερ ελεύθερου ηλεκτρονίου (FEL). Το FEL μήκους 12 μέτρων δεν είναι τόσο καλό όσο οι προκάτοχοί του μήκους χιλιομέτρων. Ωστόσο, άλλοι ερευνητές λένε ότι το πείραμα σηματοδοτεί μια σημαντική πρόοδο στους μίνι επιταχυντές.
«Πολλοί [επιστήμονες] θα το δουν σαν, «Ναι, αυτό είναι πολύ εντυπωσιακό!» λέει ο Jeroen van Tilborg, ένας φυσικός πλάσματος λέιζερ στο Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Berkeley που δεν συμμετείχε στην εργασία. Ο Ke Feng, ένας φυσικός στο Ινστιτούτο Οπτικής και Καλής Μηχανικής της Σαγκάης (SIOM) που εργάστηκε στο νέο FEL, δεν ισχυρίζεται ότι είναι έτοιμο για εφαρμογές. "Το να κάνουμε τέτοιες συσκευές χρήσιμες και μινιατούρες είναι πάντα ο στόχος μας", λέει ο Feng, "αλλά υπάρχει ακόμα πολλή δουλειά να κάνουμε."
Οι επιταχυντές σωματιδίων είναι άλογα εργασίας σε μυριάδες πεδία της επιστήμης, εκτοξεύουν θεμελιώδη σωματίδια και δημιουργούν έντονες δέσμες ακτίνων Χ για μελέτες βιομορίων και υλικών. Τέτοιοι επιταχυντές εκτείνονται σε χιλιόμετρα και κοστίζουν 1 δισεκατομμύριο δολάρια ή περισσότερο. Αυτό συμβαίνει επειδή μέσα σε έναν συμβατικό επιταχυντή, φορτισμένα σωματίδια όπως τα ηλεκτρόνια μπορούν να αποκτήσουν ενέργεια μόνο τόσο γρήγορα. Ομαδοποιημένα σε συμπαγή τσαμπιά, τα σωματίδια περνούν με φερμουάρ μέσω ενός σωλήνα κενού και περνούν μέσα από κοιλότητες που αντηχούν με τα μικροκύματα. Όπως ένα κύμα του ωκεανού ωθεί έναν σέρφερ, αυτά τα μικροκύματα σπρώχνουν τα ηλεκτρόνια και αυξάνουν την ενέργειά τους. Ωστόσο, εάν το ταλαντούμενο ηλεκτρικό πεδίο στα μικροκύματα γίνει πολύ δυνατό, θα πυροδοτήσει καταστροφικούς σπινθήρες. Έτσι, τα σωματίδια μπορούν να αποκτήσουν το πολύ περίπου 100 megaelectrovolt (MeV) ενέργειας ανά μέτρο κοιλότητας.
Για να επιταχύνουν τα σωματίδια σε μικρότερες αποστάσεις, οι φυσικοί χρειάζονται ισχυρότερα ηλεκτρικά πεδία. Η εκτόξευση ενός παλμού φωτός λέιζερ σε ένα αέριο όπως το ήλιο είναι ένας τρόπος για να τα δημιουργήσετε. Το φως σχίζει ηλεκτρόνια από τα άτομα, δημιουργώντας ένα τσουνάμι ιονισμού που κινείται μέσα στο αέριο, ακολουθούμενο από μια απότομη κυματισμό ηλεκτρονίων που παράγει ένα εξαιρετικά ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο. Αυτό το wakefield μπορεί να μαζέψει ηλεκτρόνια και να τα επιταχύνει στα 1000 MeV σε λίγα μόλις εκατοστά.
Οι φυσικοί που ελπίζουν να αξιοποιήσουν τα wakefields έχουν δείξει ότι μπορούν να δημιουργήσουν πολύ σύντομες, έντονες εκρήξεις ηλεκτρονίων. Αλλά μέσα σε μια έκρηξη, οι ενέργειες αυτών των ηλεκτρονίων συνήθως ποικίλλουν κατά μερικά τοις εκατό, πάρα πολύ για τις περισσότερες πρακτικές εφαρμογές. Τώρα, ο φυσικός SIOM Wentao Wang, ο Feng και οι συνεργάτες του έχουν βελτιώσει την απόδοση του επιταχυντή wakefield πλάσματος αρκετά ώστε να κάνουν κάτι δυνητικά χρήσιμο με αυτόν:να τροφοδοτούν ένα FEL.
Σε ένα FEL, οι φυσικοί εκτοξεύουν ηλεκτρόνια σε έναν σωλήνα κενού και μέσω μιας σειράς συσκευών που ονομάζονται κυματιστές. Μέσα σε έναν κυματιστή, μικροί μαγνήτες πάνω και κάτω από τον σωλήνα δέσμης ευθυγραμμίζονται σαν δόντια, με τους βόρειους πόλους των γειτονικών μαγνητών να εναλλάσσονται πάνω και κάτω. Καθώς τα ηλεκτρόνια περνούν μέσα από τους κυματιστές, το κυματισμένο μαγνητικό πεδίο τα τινάζει εμπρός και πίσω, αναγκάζοντάς τους να εκπέμπουν φως. Καθώς το φως συσσωρεύεται και ταξιδεύει μαζί με τη δέσμη των ηλεκτρονίων, σπρώχνει προς τα πίσω τα ηλεκτρόνια και τα χωρίζει σε υποομάδες που στη συνέχεια ακτινοβολούν συντονισμένα για να ενισχύσουν το φως σε μια δέσμη λέιζερ.
Το πρώτο λέιζερ ακτίνων Χ στον κόσμο, το Linac Coherent Light Source (LCLS) που αποκαλύφθηκε το 2009 στο Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντή SLAC, είναι ένα FEL που τροφοδοτείται από τον διάσημο γραμμικό επιταχυντή μήκους 3 χιλιομέτρων του εργαστηρίου. Ερευνητές στην Ευρώπη και την Ιαπωνία έχουν κατασκευάσει επίσης μεγάλα FEL ακτίνων Χ. Αλλά εκτοξεύοντας τη δέσμη ηλεκτρονίων από τον επιταχυντή wakefield πλάσματος μέσω μιας αλυσίδας τριών κυματιστών μήκους 1,5 μέτρου, η ομάδα SIOM έκανε ένα FEL αρκετά μικρό ώστε να χωράει σε ένα μακρύ δωμάτιο.
Για να γίνει αυτό δυνατό, οι φυσικοί του SIOM έπρεπε να συρρικνώσουν την εξάπλωση στην ενέργεια των ηλεκτρονίων στο 0,5%. Κατάφεραν βελτιστοποιώντας το λέιζερ και τον στόχο αερίου για να ελέγξουν καλύτερα την επιτάχυνση των ηλεκτρονίων, τα στέλνουν πιο ομαλά στον σωλήνα κενού, λέει ο Wang. Ομάδες στις Ηνωμένες Πολιτείες και την Ευρώπη έχουν εξερευνήσει πιο σύνθετα σχήματα για το φιλτράρισμα των ηλεκτρονίων μιας συγκεκριμένης ενέργειας, αλλά η ομάδα SIOM ακολούθησε μια απλούστερη προσέγγιση, λέει ο van Tilborg. "Τα πάντα είναι λίγο καλύτερα βελτιστοποιημένα", λέει.
Άλλοι είχαν χρησιμοποιήσει επιταχυντές wakefield πλάσματος για να εξαναγκάσουν το φως από τους κυματιστές στο παρελθόν. Όμως ο Wang και οι συνεργάτες του επέδειξαν ενίσχυση, δείχνοντας ότι η ένταση του φωτός αυξάνεται 100 φορές στον τρίτο κυματιστή, ανέφεραν την περασμένη εβδομάδα στο Nature . "Αυτό είναι ένα τεράστιο βήμα προς τα εμπρός", λέει ο Agostino Marinelli, φυσικός επιταχυντών στο SLAC.
Το μικροσκοπικό FEL απέχει πολύ από τα μεγαλύτερα αδέρφια του, τα οποία παράγουν ακτίνες δισεκατομμύρια φορές πιο φωτεινές από άλλες πηγές ακτίνων Χ, με ενεργειακή εξάπλωση έως και 0,1%. Το νέο FEL παράγει πολύ πιο αμυδρούς παλμούς υπεριώδους φωτός μεγαλύτερου μήκους κύματος με διασπορά ενέργειας 2%. Οι ερευνητές της SLAC αναβαθμίζουν επίσης το LCLS για να παράγουν εκατομμύρια παλμούς ανά δευτερόλεπτο. το νέο FEL μπορεί να παράγει πέντε ανά δευτερόλεπτο.
Η επίτευξη μήκους κύματος ακτίνων Χ με τη συσκευή θα είναι δύσκολη, προβλέπει ο Μαρινέλι. «Αυτά είναι πολύ εντυπωσιακά αποτελέσματα, αλλά θα ήμουν πολύ προσεκτικός να το προεκτάσω σε ενέργειες ακτίνων Χ», ωστόσο, η ομάδα SIOM λέει ότι αυτός είναι ο στόχος της. «Είναι δύσκολο να πούμε πόσο καιρό θα χρειαστεί για να φτάσουμε στα σκληρά μήκη κύματος ακτίνων Χ, ίσως μια δεκαετία ή περισσότερο», λέει ο Ruxin Li, φυσικός και μέλος της ομάδας του SIOM. "Ανυπομονούμε για εκείνη την ημέρα."
