In questa concezione artistica dell’esperimento condotto del Nebraska, le sfere bianche rappresentano due impulsi laser, con le onde del plasma nelle loro scie. Le onde interferiscono l’una con l’altra dopo che gli impulsi laser si incrociano, e gli elettroni cavalcano le onde del campo a energie superiori. Crediti: Extreme Light Laboratory, University of Nebraska-Lincoln
In un esperimento condotto recentemente presso l’Università del Nebraska-Lincoln, gli elettroni presenti in un plasma posto lungo il cammino ottico di intensi impulsi laser sono stati quasi istantaneamente accelerati a velocità prossime a quella della luce.
Il professore di fisica Donald Umstadter, che ha condotto la ricerca e previsto dal punto di vista teorico il meccanismo alla base dell’esperimento due decenni fa, sostiene che la nuova applicazione potrebbe essere chiamata razzo ottico, per via dell’enorme forza esercitata dalla luce del laser nell’esperimento: gli elettroni del plasma sono stati sottoposti a una forza di quasi un trilione di trilioni di volte superiore a quella percepita da un astronauta lanciato nello spazio.
«Questa nuova nonché unica applicazione di una luce intensa può migliorare le prestazioni degli acceleratori compatti di elettroni», ha affermato. «Ma la novità e l’aspetto scientifico più generale dei nostri risultati è che l’applicazione della forza impressa dalla luce ha provocato l’accelerazione diretta della materia». Il razzo ottico è l’ultimo esempio di come le forze esercitate dalla luce possano essere utilizzate come strumenti, ha detto Umstadter.
La luce di normale intensità esercita una piccola forza ogni volta che si riflette, si disperde o viene assorbita. Un’applicazione di questa forza consiste, ad esempio, nella cosiddetta vela leggera che potrebbe essere usata per spingere un veicolo spaziale. Tuttavia, poiché la forza della luce è estremamente piccola, in questo caso, dovrebbe essere esercitata continuamente per anni affinché l’astronave raggiunga l’alta velocità.
Un altro tipo di forza viene generata quando la luce presenta un gradiente di intensità. Un’applicazione di questa forza è la cosiddetta pinzetta ottica che viene utilizzata per manipolare oggetti microscopici. Anche qui, la forza in gioco è estremamente piccola.
Nell’esperimento del Nebraska, gli impulsi laser sono stati focalizzati sul plasma. Quando gli elettroni nel plasma sono stati espulsi dagli impulsi luminosi a causa dei gradienti di forza coinvolti, le onde del plasma sono state guidate lungo le scie degli impulsi e gli elettroni hanno cavalcato le onde del debole campo, come se fossero su un surf, e questo processo li ha accelerati ulteriormente verso energie ultra-relativistiche.
Questa nuova applicazione fornisce un mezzo per controllare la fase iniziale dell’accelerazione e migliorare le prestazioni di una nuova generazione di acceleratori di elettroni compatti, che dovrebbero aprire la strada a una gamma di applicazioni che prima risultavano impraticabili a causa dell’enorme dimensione degli acceleratori convenzionali.
La ricerca sperimentale, finanziata dalla National Science Foundation, è stata condotta da studenti e scienziati del Nebraska, guidati da Grigoroy Golovin, primo autore dell’articolo uscito su Physical Review Letters, in cui sono riportati i risultati del loro lavoro di ricerca sperimentale. L’esperimento si è basato sulla modellizzazione numerica degli scienziati dell’Università Jiao Tong di Shanghai in Cina, coautori dell’articolo.
Uno dei laser presso l’Extreme Light Laboratory dell’Università del Nebraska-Lincoln, dove un esperimento ha recentemente accelerato gli elettroni, portandoli ad avvicinanarsi alla velocità della luce. Crediti: University of Nebraska-Lincoln
Per saperne di più:
- Leggi su Physical Review Letters l’articolo “Electron Trapping from Interactions between Laser-Driven Relativistic Plasma Waves” di Grigory Golovin, Wenchao Yan, Ji Luo, Colton Fruhling, Dan Haden, Baozhen Zhao, Cheng Liu, Min Chen, Shouyuan Chen, Ping Zhang, Sudeep Banerjee, and Donald Umstadter