En los aceleradores de partículas masivas, las partículas subatómicas (como los electrones) se aceleran a velocidades súper altas comparables a la velocidad de la luz hacia una superficie objetivo. La colisión de partículas subatómicas aceleradas da lugar a interacciones únicas que permiten a los científicos obtener una comprensión más profunda de las propiedades fundamentales de la materia.
Convencionalmente, los aceleradores de partículas basados en láser requieren láseres costosos (entre 1 y 20 millones de dólares) y se encuentran en enormes instalaciones nacionales. Una configuración tan compleja como esta es capaz de acelerar electrones a energías de megaelectronvoltios (MeV). Pero, ¿se puede utilizar un láser más simple que cueste sólo una pequeña fracción de los láseres utilizados actualmente para diseñar esquemas comparables de aceleración de partículas?
En un salto emocionante, los científicos del Instituto Tata de Investigación Fundamental de Hyderabad (TIFRH) han diseñado una solución elegante para generar con éxito MeV (10 6 eV) electrones de temperatura a una mera fracción (100 veces menor) de la intensidad del láser que antes se creía necesaria.
Los hallazgos se publican en la revista Communications Physics. .
La técnica implementa dos pulsos de láser; primero para crear una pequeña explosión controlada en una microgota, seguida de un segundo pulso para acelerar los electrones a energías de megaelectronvoltios (MeV). Lo que es aún más emocionante es que lo han logrado con un láser que es 100 veces menor de lo que se creía necesario anteriormente, lo que lo hace más accesible y versátil para futuras investigaciones. Las implicaciones de este descubrimiento pueden ser dramáticas debido a la capacidad de producir haces de electrones de alta energía para aplicaciones que van desde pruebas no destructivas, imágenes, tomografía y microscopía y pueden influir desde la ciencia de los materiales hasta las ciencias biológicas.
La configuración desarrollada por los investigadores del TIFRH utiliza un láser de clase milijulio, que dispara a una velocidad de 1.000 pulsos por segundo con pulsos ultracortos de 25 fs, y se utiliza para cincelar dinámicamente microgotas de 15 µm de diámetro. Esta configuración dinámica del objetivo implica dos pulsos láser trabajando en tándem. El primer pulso crea una superficie cóncava en la gota de líquido, y el segundo pulso impulsa ondas de plasma electrostáticas, impulsando electrones a energías de MeV.
Las ondas electrostáticas son oscilaciones en el plasma que se parecen mucho a las perturbaciones mecánicas que se crean en un estanque de agua cuando se atraviesa una piedra. Aquí el láser crea perturbaciones en el mar de electrones y genera un "tsunami de electrones" que se rompe para dar electrones de alta energía, muy parecido al chapoteo de una ola en la costa del mar. El proceso genera no uno sino dos haces de electrones, cada uno con distintos componentes de temperatura:200 keV y 1 MeV.
Esta innovación produce haces de electrones dirigidos de más de 4 MeV con un láser que cabe en una mesa, lo que la convierte en un punto de inflexión para los estudios microscópicos resueltos en el tiempo en diversos campos científicos.
Más información: Angana Mondal et al, Gotas de líquido con forma generan haces de electrones de temperatura MeV con láser de clase milijulio, Física de las Comunicaciones (2024). DOI:10.1038/s42005-024-01550-8
Proporcionado por el Instituto Tata de Investigación Fundamental
