Tým výzkumníků z University of Nebraska–Lincoln nedávno provedené experiment, kde byli schopni urychlit plazmové elektrony na rychlost blízkou rychlosti světla. Tato „optická raketa“, která tlačila elektrony silou bilion-bilionkrát větší, než je síla generovaná konvenční raketou, by mohla mít vážné důsledky pro vše od cestování do vesmíru po výpočetní techniku a nanotechnologie.
Pokud jde o budoucnost vesmírného průzkumu a vědeckého výzkumu, je jasné, že světlo bude hrát zásadní roli. Na jedné straně vesmírné agentury zkoumají „optické komunikace“ – odesílání informací pomocí laserů – aby zvládly rostoucí množství dat, která budou mise shromažďovat a odesílat na Zemi. Výzkumníci a inženýři na druhé straně hledají lasery k provádění mikroskopických manipulací s hmotou a optických počítačů.
Jedním z hlavních problémů s těmito druhy aplikací však byla velikost použitého zařízení. Jde o to, že konvenční, vysokoenergetické lasery jsou obecně velké a drahé. Schopnost zmenšit proces, při kterém se k urychlování částic používá světlo, by byla nejen přínosem pro výzkumníky, ale mohla by také vést k bezpočtu nových aplikací.
Jeden z laserů v laboratoři Extreme Light Laboratory na University of Nebraska-Lincoln, kde nedávný experiment urychlil elektrony téměř na rychlost světla. Kredit: University of Nebraska-Lincoln
To je přesně to, co tým z UNL’s Laboratoř extrémního světla (ELL) pomocí laboratorního Diocles Laser. Tento rentgenový laser, který je deset milionůkrát jasnější než slunce, byl použit k zaměření rychlých laserových pulzů na plazmové elektrony – proces známý jako zrychlení budícího pole (nebo zrychlení elektronů). Studie, která popisuje jejich zjištění, se nedávno objevila vFyzické kontrolní dopisy.
Světlo obvykle působí nepatrnou silou všude tam, kde se odráží, rozptyluje nebo absorbuje. I když je síla mimořádně malá, může mít kumulativní účinek, když je správně a nepřetržitě zaostřena. Během experimentu tým zjistil, že světelné pulzy způsobily, že elektrony v plazmatu byly vytlačeny z dráhy pulzů, čímž se v jejich stopě vytvořily plazmové vlny.
Elektrony také zachytily další zrychlení z těchto „vln bdělého pole“, což je přivedlo k ultrarelativistickým rychlostem (tj. blízkým rychlosti světla). Jak vysvětlil Donald Umstadter, ředitel Extreme Light Laboratory, v Nebraska Today tisková zpráva :
„Tato nová a jedinečná aplikace intenzivního světla může zlepšit výkon kompaktních urychlovačů elektronů. Ale novým a obecnějším vědeckým aspektem našich výsledků je, že působení síly světla vedlo k přímému zrychlení hmoty.
Grigory Golovin, vedoucí výzkumník studie UNL, stojící nad ELL's Diocles Laser. Kredit: UNL/ELL
Tento nový experiment účinně demonstroval schopnost řídit počáteční fázi zrychlení wakefieldu, což by mohlo zlepšit výkon kompaktních elektronových urychlovačů. Je významný v tom, že má četné aplikace, které dříve nebyly možné kvůli obrovské velikosti konvenčních elektronových urychlovačů.
Jedna taková aplikace je známá jako „optická pinzeta“, proces, kde se světlo používá k manipulaci s mikroskopickými předměty. Další možnou aplikací je koncept známý jako „lehká plachta“ (neboli solární nebo fotonový článek), metoda vesmírného pohonu, kde se zaostřený laserový paprsek používá k urychlení reflexní plachty na neuvěřitelnou rychlost.
Jedním takovým příkladem je Průlomový Starshot , navrhovaná kosmická loď vyvíjená společností Průlomové iniciativy – nezisková organizace založená ruským miliardářem Jurijem Milnerem. Tato kosmická loď, sestávající z nanoplavidla taženého zaměřovací plachtou, by se spoléhala na zaostřené lasery, které by jej urychlily na relativistické rychlosti (20 % rychlosti světla). Touto rychlostí by plavidlo dokázalo podniknout cestu k Alfa Centauri za pouhých 20 let a mohlo by posílat zpět snímky jakýchkoli exoplanet tamních (včetně Další b ).
Mezitím tento experiment pravděpodobně otevře částicovým fyzikům seriózní výzkumné příležitosti. Studii vedl Grigoroy Golovin, postdoktorand z University of Nebraska-Lincoln’s (UNL) Extreme Light Laboratory (ELL), a zahrnovalo několik vědců z ELL a Shanghai Jiao Tong University.
Další čtení: Nebraska dnes , Fyzické kontrolní dopisy
