Los aceleradores de partículas son herramientas esenciales en áreas de investigación como la biología, ciencia de materiales y física de partículas. Los investigadores siempre están buscando formas más poderosas de acelerar partículas para mejorar los equipos existentes y aumentar las capacidades para los experimentos. Una de estas tecnologías poderosas es la aceleración láser dieléctrica (DLA). En este enfoque, las partículas se aceleran en el campo óptico cercano que se crea cuando los pulsos de láser ultracortos se enfocan en una estructura nanofotónica. Usando este método, investigadores de la Cátedra de Física Láser en Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) han logrado guiar electrones a través de un canal de vacío, un componente esencial de los aceleradores de partículas. El diseño básico del canal de nanoestructura fotónica fue desarrollado por el socio de cooperación TU Darmstadt. Ahora han publicado sus hallazgos conjuntos en la revista. Naturaleza .

Mantenerse enfocado

Como las partículas cargadas tienden a alejarse unas de otras a medida que se propagan, Todas las tecnologías de aceleradores enfrentan el desafío de mantener las partículas dentro de los límites espaciales y temporales requeridos. Como resultado, Los aceleradores de partículas pueden tener hasta diez kilómetros de largo. y conllevan años de preparación y construcción antes de que estén listos para su uso, por no hablar de las principales inversiones involucradas. Aceleración láser dieléctrica, o DLA, utiliza tecnología láser ultrarrápida y avances en la producción de semiconductores para minimizar potencialmente estos aceleradores a unos pocos milímetros o centímetros de tamaño.

Un enfoque prometedor:los experimentos ya han demostrado que el DLA supera las tecnologías utilizadas actualmente en al menos 35 veces. Esto significa que la longitud de un acelerador potencial podría reducirse por el mismo factor. Hasta ahora, sin embargo, No estaba claro si estas cifras podrían ampliarse para estructuras cada vez más largas.

Un equipo de físicos dirigido por el Prof. Dr. Peter Hommelhoff de la Cátedra de Física Láser en FAU ha dado un gran paso hacia la adaptación de DLA para su uso en aceleradores completamente funcionales. Su trabajo es el primero en establecer un esquema que puede usarse para guiar pulsos de electrones a largas distancias.

La tecnología es clave

El esquema, conocido como 'enfoque de fase alterna' (APF) es un método tomado de los primeros días de la teoría del acelerador. Una ley fundamental de la física significa que enfocar partículas cargadas en las tres dimensiones a la vez:ancho, altura y profundidad — es imposible. Sin embargo, esto se puede evitar enfocando alternativamente los electrones en diferentes dimensiones. En primer lugar, los electrones se enfocan usando un rayo láser modulado, luego 'derivan' a través de otro pasaje corto donde ninguna fuerza actúa sobre ellos, antes de que finalmente se aceleren, lo que les permite ser guiados hacia adelante.

En su experimento, los científicos de FAU y TU Darmstadt incorporaron una columnata de pilares ovalados con brechas cortas a intervalos regulares, resultando en la repetición de macrocélulas. Cada macrocélula tiene un efecto de enfoque o desenfoque sobre las partículas, dependiendo del retraso entre el láser incidente, el electrón, y el espacio que crea la sección de deriva. Esta configuración permite un control preciso del espacio de fase de los electrones en la ultraescala de tiempo óptico o en femto-segundo (un femto-segundo corresponde a una millonésima de mil millonésima de segundo). En el experimento, Al iluminar la estructura con un láser, se muestra un aumento en la corriente del rayo a través de la estructura. Si no se utiliza un láser, los electrones no son guiados y chocan gradualmente contra las paredes del canal. "Es muy emocionante, "dice el físico de la FAU Johannes Illmer, coautor de la publicación. "A modo de comparación, el gran colisionador de hadrones en el CERN utiliza 23 de estas células en 2, Curva de 450 metros de largo. Nuestra nanoestructura utiliza cinco células de acción similar en solo 80 micrómetros ".

¿Cuándo podemos esperar ver el primer acelerador DLA?

"Los resultados son extremadamente significativos, pero para nosotros es solo un paso intermedio, "explica el Dr. Roy Shiloh, "y nuestro objetivo final es claro:queremos crear un acelerador completamente funcional en un microchip".

El trabajo en esta área está siendo impulsado por la colaboración internacional 'acelerador en un chip' (ACHIP), de los cuales los autores son miembros. La colaboración ya ha demostrado que, En teoria, El APF se puede ajustar para lograr la aceleración de los haces de electrones. Complejo, Por lo tanto, las configuraciones de APF tridimensionales podrían constituir la base de la tecnología de acelerador de partículas del futuro. "Tenemos que capturar los electrones en las tres dimensiones si queremos ser capaces de acelerarlos en distancias más largas sin pérdidas," "explica el Dr. Uwe Niedermayer de TU Darmstadt, y coautor de la publicación.