Интенсивный лазерный свет позволил ученым создать «оптическую ракету»

В своих последних экспериментах ученые из университета Небраски-Линкольна (University of Nebraska-Lincoln) при помощи импульсов интенсивного лазерного света создали сгустки электронной плазмы, которые после этого были ускорены до скорости, близкой к скорости света. «Эти плазменные сгустки можно назвать термином «оптическая ракета» из-за огромного значения сил, обеспечиваемых воздействием света на плазму» — рассказывает профессор Дональд Умстадтер (Donald Umstadter), — «Электроны подверглись воздействию сил, в триллион триллионов раз больше, чем силы, которые воздействуют на астронавта во время запуска в космос».

Один из лазеров в Лаборатории экстремального света в Университете Небраски-Линкольн,
где недавний эксперимент ускорил электроны до скорости света
© University of Nebraska-Lincoln

Созданная учеными «оптическая ракета» является не только практическим примером использования сил, которыми свет может воздействовать на материю. Данный эффект можно будет использовать в будущем для создания новых сверхкомпактных ускорителей частиц и устройств на их основе.

В обычных условиях обычный свет обеспечивает воздействие крошечных сил на объекты, на поверхности которых он поглощается, рассеивается или преломляется. Одним из примеров использования сил света является так называемый «солнечный парус», который может использоваться для разгона небольших космических аппаратов без затрат топлива на это дело. Однако, из-за того, что сила давления, создаваемая светом, очень мала, то космический аппарат с солнечным парусом будет разгоняться до высокой скорости медленно и долго, в течение нескольких единиц или десятков лет.

Белые сферы представляют собой два лазерных импульса с плазменными волнами в их следах.
Волны мешают друг другу после того, как лазерные импульсы пересекаются,
а электроны движутся волнами поля волны до более высокой энергии.
© University of Nebraska-Lincoln

Но, при воздействии света на материи может возникнуть и другой тип сил. Это происходит, когда свет имеет очень большой градиент его интенсивности, и такие силы используются в оптических пинцетах, к примеру. Но опять же, и эти силы имеют очень малое значение.

В своих экспериментах ученые из Небраски сфокусировали луч лазерного света на облаке плазмы. Под воздействием света из плазмы были удалены электроны, которые двигались в направлении распространения лучей света. Затем эти электроны за счет градиента света были «пойманы» на гребнях пиков «бегущих» оптических волн, что позволило разогнать их до релятивистских скоростей. Для реализации такого типа ускорения ученым пришлось разработать технологию контроля и управления начальной фазой бегущих оптических волн, которая станет основой будущих сверхкомпактных ускорителей электронов.

И в заключение следует отметить, что базой эксперимента, проведенного учеными из Небраски, являлась работа в области численного моделирования, проведенная учеными из университета Джао Тонг, Шанхай (Shanghai Jiao Tong University), Китай. А основой работы китайских ученых, в свою очередь, стала теория, описывающая данный механизм, разработанная Дональдом Умстадтером более чем два десятилетия назад.

Статья опубликована в журнале Physical Review Letters
Источник: dailytechinfo.org