Durante las últimas décadas, los físicos e ingenieros han estado tratando de crear aceleradores de plasma láser cada vez más compactos, una tecnología para estudiar las interacciones entre la materia y las partículas producidas por las interacciones entre los rayos láser ultrarrápidos y el plasma. Estos sistemas son una alternativa prometedora a las máquinas existentes a gran escala basadas en señales de radiofrecuencia, ya que pueden ser mucho más eficientes para acelerar partículas cargadas.

Si bien los aceleradores de plasma láser aún no se emplean ampliamente, varios estudios han resaltado su valor y potencial. Sin embargo, para optimizar la calidad del rayo láser acelerado producido por estos dispositivos, los investigadores deberán poder monitorear varios procesos físicos ultrarrápidos en tiempo real.

Investigadores del Instituto Weizmann de Ciencias (WIS) en Israel han ideado recientemente un método para observar directamente ondas de plasma relativistas no lineales y accionadas por láser en tiempo real. Usando este método, presentado en un artículo publicado en Nature Physics , pudieron caracterizar plasma no lineal a resoluciones temporales y espaciales increíblemente altas.

"Obtener imágenes de una onda de plasma impulsada por láser micrométrico que corre a la velocidad de la luz es muy desafiante, lo que implica el uso de pulsos de luz ultracortos o grupos de partículas cargadas", dijo Yang Wan, uno de los investigadores que llevó a cabo el estudio. le dijo a Phys.org. "Si bien la luz puede revelar estructuras en la densidad del plasma, los haces de partículas sondean los campos internos de las ondas de plasma y, por lo tanto, podrían brindarnos mucha más información sobre el estado de estas ondas, es decir, su capacidad para inyectar y acelerar los electrones de plasma". /P>

El trabajo reciente de Wan y sus colegas se basa en un estudio anterior de prueba de principio que realizó con su antiguo equipo de investigación en la Universidad de Tsinghua en China. Este estudio anterior confirmó esencialmente la viabilidad de obtener imágenes de ondas sinusoidales lineales más débiles (es decir, representaciones naturales de cuántas cosas y sistemas en la naturaleza cambian de estado con el tiempo).

"Para observar directamente la onda de plasma altamente no lineal que se usa más popularmente para la aceleración de electrones, construimos dos aceleradores de plasma láser de alta potencia utilizando nuestro sistema láser dual de 100 TW en WIS", explicó Wan. "Este sistema produce una sonda de electrones de alta energía y alta carga y la otra produce un campo de estela de plasma altamente no lineal para ser sondeado. En este estudio exploratorio, hemos probado esta nueva técnica de imagen hasta sus límites, buscando las estructuras de campo fino dentro del ondas de plasma no lineales".

El objetivo inicial del experimento realizado por Wan y sus colegas en WIS fue observar las ondas de plasma en detalle. Sin embargo, después de hacer esto, el equipo se dio cuenta de que las ondas de plasma no lineales desviaban las partículas de la sonda de maneras más interesantes y sorprendentes, actuando a través de campos eléctricos y magnéticos.

"Al descifrar esta información con modelos teóricos y numéricos, identificamos las características que se correlacionan directamente con el denso pico de electrones en la parte trasera de la 'burbuja de plasma' formada", dijo Wan. "Hasta donde sabemos, esta es la primera medición de estructuras tan finas dentro de la onda de plasma no lineal".

Posteriormente, Wan y sus colegas aumentaron la potencia del láser controlador utilizado en su experimento. Esto les permitió identificar el llamado "rompimiento de ondas", el estado después del cual una onda de plasma ya no puede crecer, por lo que en su lugar captura electrones de plasma en su campo de aceleración. El rompimiento de olas es un fenómeno físico fundamental, particularmente en el plasma.

"El primer logro importante de nuestro trabajo es la obtención de imágenes de campos extremadamente fuertes de plasmas relativistas, ya que explota una característica única de estos aceleradores de plasma láser:la duración del haz de unos pocos femtosegundos y el tamaño de la fuente del haz de micrómetros, que proporcionan ultra -alta resolución espacio-temporal para capturar los fenómenos microscópicos que se ejecutan a la velocidad de la luz", dijo Wan. "Al obtener imágenes de la onda de plasma, también observamos directamente el proceso sutil de 'rotura de onda', que en sí mismo fue una experiencia maravillosa".

Sorprendentemente, la medida recopilada por este equipo de investigadores sería imposible de lograr utilizando cualquiera de los aceleradores convencionales existentes basados ​​en tecnología de radiofrecuencia. En el futuro, su trabajo podría inspirar a otros equipos a idear métodos experimentales similares para seguir observando los muchos matices del plasma.

"El rompimiento de ondas también es crucial para los aceleradores basados ​​en plasma, debido a la producción de electrones relativistas a partir de la autoinyección", dijo Wan. "Este mecanismo de inyección es bastante importante en los aceleradores multi-GeV de una sola etapa donde es difícil mantener la inyección controlada durante un largo tiempo de operación".

Este trabajo reciente de Wan y sus colegas podría tener numerosas implicaciones importantes para el desarrollo y uso de aceleradores de plasma láser. En particular, presenta una herramienta valiosa para identificar el proceso de autoinyección de electrones en tiempo real, lo que permitiría a los investigadores ajustar los aceleradores y mejorar la calidad de sus haces.

"Ahora tenemos una herramienta única y poderosa para explorar campos extremos para investigar muchas otras preguntas fundamentales en una gama más amplia de parámetros de plasma que son relevantes para la física, incluido el campo de estela impulsado por haces de partículas, la interacción haz-plasma y la dinámica del plasma relacionada con la fusión". Prof. Victor Malka, el investigador principal del estudio y el investigador principal del grupo, dijo a Phys.org. "El futuro es muy emocionante y estamos impacientes por profundizar en la exploración de fenómenos ricos en física de plasma". + Explora más

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