Fig. 1a:Esquema de la aceleración directa de electrones en un campo láser y su realización en el experimento. Crédito:Forschungsverbund Berlin e.V. (FVB)
La aceleración directa controlada de electrones en campos láser muy fuertes puede ofrecer un camino hacia aceleradores ultracompactos. Tal aceleración directa requiere rectificación y desacoplamiento del campo láser electromagnético oscilante de los electrones de una manera adecuada. Los investigadores de todo el mundo intentan abordar este desafío. En experimentos en el Instituto Max Born, La aceleración láser directa de electrones ahora podría demostrarse y comprenderse en detalle teóricamente. Este concepto es un paso importante hacia la creación de pulsos de electrones relativistas y ultracortos dentro de distancias de aceleración muy cortas por debajo de un milímetro. Las fuentes de rayos X de electrones compactos resultantes y relacionadas tienen un amplio espectro de aplicaciones en espectroscopia, análisis estructural, ciencias biomédicas y nanotecnología.
La forma en que los electrones pueden acelerarse hasta energías cinéticas relativistas en campos láser fuertes es un tema fundamental en la física de la interacción luz-materia. Aunque los campos electromagnéticos de un pulso láser fuerzan a un electrón libre previamente en reposo a oscilaciones con velocidades extremadamente altas, estas oscilaciones cesan de nuevo cuando pasa el pulso de luz. No puede tener lugar una transferencia de energía neta por tal aceleración directa de una partícula cargada en el campo láser. Este principio fundamental, que a menudo se discute en los exámenes de física, es válido para ciertas condiciones de contorno de la extensión espacial y la intensidad del pulso láser. Solo para particular, diferentes condiciones de contorno, De hecho, los electrones pueden recibir una transferencia neta de energía a través de la aceleración del fuerte campo láser. Estas condiciones se pueden establecer, p. Ej. al enfocar el pulso láser o la presencia de fuertes campos electrostáticos en un plasma.
En todo el mundo, Los científicos están buscando soluciones sobre la rapidez con la que se pueden extraer electrones de campos láser extremadamente fuertes y cómo se pueden obtener pulsos de electrones cortos con una alta densidad de carga a través de pulsos de láser ultracortos.
En campos de luz de intensidad relativista (I> 10 18 W / cm 2 ) los electrones oscilan con velocidades cercanas a la velocidad de la luz. La energía cinética correspondiente alcanza valores de MeV a GeV (en I> 10 22 W / cm 2 . Los campos de luz intensos se obtienen al enfocar pulsos de láser ultracortos con alta energía hasta áreas de pocos micrómetros. La distribución de intensidad espacial resultante ya permite la aceleración de los electrones hasta altas energías cinéticas. Este proceso se conoce como aceleración ponderomotriz. Es un proceso esencial para la interacción entre campos de luz intensa y materia. Varios estudios teóricos, sin embargo, han predicho que la cantidad de electrones y su energía cinética pueden incrementarse significativamente mediante una aceleración directa en el campo láser, pero solo si la interacción electrón-luz se interrumpe de una manera adecuada. Estas consideraciones fueron el punto de partida para los experimentos de Julia Braenzel y sus colegas del Instituto Max Born.
Fig.1b:Electrones detectados en la dirección de propagación del láser desde una configuración de objetivo de lámina simple (F1) y doble (F1F2), donde las láminas del soncond actúa como espeparador. Las láminas de plástico utilizadas tenían aproximadamente F1 =35 nm y F2 =85 nm de espesor. Los valores N e representan los números de electrones integrados para todo el rango de detección (0, 2-7, 5 MeV) con respecto a la apertura del espectrómetro. Crédito:Forschungsverbund Berlin e.V. (FVB)
En los experimentos de MBI, los electrones se desacoplaron del pulso de luz en un momento particular en el tiempo, utilizando una lámina separadora que es opaca para la luz láser pero que puede transmitir electrones rápidos. Podríamos demostrar que este método conduce a un aumento del número de electrones con altas velocidades. En primer lugar, Un pulso de láser de 70 TW Ti:Zafiro (2 J a 35 fs) irradia una lámina objetivo delgada de 30 a 100 nm que consiste en un polímero PVF. En la dirección de propagación del láser, aproximadamente 109 electrones se aceleran hasta varios MeV de energía a través de la fuerza ponderomotriz. Durante esta interacción, la lámina se ioniza casi por completo y se transforma en plasma.
Para espesores de lámina objetivo suficientemente delgados por debajo de 100 nm, una fracción de la luz láser incidente puede transmitirse a través del plasma. La luz transmitida comienza a adelantar a los electrones ya emitidos en esta dirección. Esto corresponde a una inyección cuasi-intrínsecamente sincronizada de electrones lentos en la transmisión, pero aún campo láser relativista ( <8 x 10 18 W / cm 2 ). Si se coloca una segunda lámina separadora delgada a la distancia correcta detrás de la primera, Se observa una amplificación en la señal electrónica para un intervalo de energía particular. La figura 1a) muestra un esquema de la evolución temporal en el experimento y la figura 1b) presenta una comparación directa de la distribución espectral de electrones detectada para una configuración de lámina simple y doble. donde la segunda hoja actúa como separador. Esta lámina es opaca para la luz láser pero transparente para los electrones rápidos y, por lo tanto, permite el desacoplamiento de ambos. El momento en el que se interrumpe la interacción entre los electrones y la luz transmitida depende de la distancia entre las dos láminas.
Los experimentos llevados a cabo en el grupo de Matthias Schnürer demuestran que se puede obtener una amplificación de la señal electrónica y se maximiza para una determinada distancia. La amplificación se desvanece en distancias muy grandes. Numerosas mediciones, así como simulaciones numéricas, confirmaron la hipótesis de que los electrones con alta energía cinética se pueden extraer del campo de luz si se desacoplan adecuadamente. Si las láminas del separador se encuentran en una posición optimizada, los electrones lentos con energías cinéticas por debajo de 100 keV se aceleran a energías cinéticas aproximadamente diez veces superiores. Este efecto conduce a una concentración de electrones en un intervalo de energía estrecho. A diferencia de los experimentos que utilizan los diferentes mecanismos de aceleración del campo de estela láser, donde ya se ha demostrado la producción de electrones GeV, la aceleración láser directa demostrada aquí se puede escalar a altas intensidades de láser y altas densidades de plasma. Más allá de la comprensión fundamental de las interacciones láser-materia, la aceleración láser directa demostrada en este trabajo es prometedora para la realización futura de fuentes compactas de electrones relativistas.
