Aceleradores de partículas de sobremesa para abrir nuevos campos de investigación
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Utilizando láseres de alta intensidad, los investigadores han dado un paso importante hacia la miniaturización de los aceleradores de partículas al demostrar la amplificación láser de electrones libres en longitudes de onda ultravioleta extremas (27-50 nm), con una longitud de aceleración de sólo unos milímetros. Al generar haces de electrones monoenergéticos de alta calidad (es decir, haces en los que todos los electrones tienen casi la misma energía), han logrado un hito clave hacia las tecnologías de aceleradores compactos.
Imagen simbólica
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Configuración experimental de prueba de concepto utilizada para generar un láser de electrones libres (FEL) ultravioleta extremo (XUV) impulsado por un haz de electrones de aceleración de campo de estela láser (LWFA). Un pulso láser intenso, generado por el sistema láser anterior, se enfoca sobre un blanco supersónico de chorro de gas para producir un plasma. Los electrones son atrapados y acelerados por la onda de plasma (es decir, el campo de estela láser) creada en el plasma, generando un haz de electrones de alta energía. Este haz de electrones se transporta a través de una línea de transporte a un ondulador situado aguas abajo, donde experimenta oscilaciones transversales en el campo magnético periódico, generando el FEL en la región XUV.
Tomonao Hosokai
El equipo de investigación dirigido por el Instituto de Investigación Científica e Industrial (SANKEN) de la Universidad de Osaka, en colaboración con el Instituto Kansai de Ciencia Fotónica (KPSI), los Institutos Nacionales de Ciencia y Tecnología Cuántica (QST), el Centro RIKEN SPring-8 (RSC) y la Organización de Investigación de Aceleradores de Alta Energía (KEK), utilizó una técnica denominada aceleración de campo de estela láser para crear ondas de plasma que generan campos eléctricos aceleradores extremadamente potentes, gracias a ondas dentro del plasma que viajan casi a la velocidad de la luz. Estos potentes campos eléctricos son más de 1.000 veces más fuertes que los de los aceleradores convencionales.
"Nuestro trabajo ha introducido varias mejoras sustanciales con respecto a técnicas anteriores, lo que nos ha permitido lograr la amplificación láser de electrones libres a longitudes de onda ultravioleta extremas", explica el autor principal, Zhan Jin. "Hemos utilizado la conformación de pulsos láser para mejorar la precisión del enfoque. En combinación con nuestras boquillas de gas supersónico especialmente desarrolladas, podemos crear frentes de onda más estables, lo que permite un control preciso de la fuente de plasma."
Utilizar la amplificación láser de electrones libres de esta forma es esencial para reducir la distancia necesaria para acelerar los electrones. Los sistemas convencionales pueden requerir cientos de metros, pero los potentes campos generados por la aceleración de campos de estela láser pueden reducir potencialmente esta distancia a sólo milímetros. Estos resultados demuestran que la aceleración de campo de estelas láser se está acercando al rendimiento exigido a los aceleradores de electrones prácticos y de alta calidad. Demostrarlo en longitudes de onda ultravioleta extremas es un hito importante, pero el equipo de investigación pretende ir aún más lejos.
"La aceleración láser de campo de estelas se ha considerado poco práctica durante mucho tiempo por la dificultad de estabilizar el plasma del que depende", explica Tomonao Hosokai, autor principal. "Hemos mejorado mucho la estabilidad y calidad de nuestros haces de electrones, lo que nos permitirá miniaturizar drásticamente los futuros aceleradores, abriendo la posibilidad de crear láseres compactos de electrones libres de rayos X". Este trabajo demuestra que la aceleración por láser de campo de estelas puede funcionar a la par que los aceleradores de electrones de alta energía de alta calidad que se utilizan en la práctica.
Demostrar el funcionamiento de un láser de electrones libres en el ultravioleta extremo es un primer paso crucial para ampliar la tecnología a longitudes de onda más cortas y, en última instancia, crear láseres de electrones libres de rayos X compactos. Estas fuentes de luz excepcionalmente potentes generan rayos X coherentes 10.000 millones de veces más brillantes que el sol y producen pulsos ultracortos de femtosegundos. Actualmente su uso está restringido a grandes instalaciones, pero la miniaturización de estos láseres permitiría su uso en laboratorios convencionales. En la actualidad, la aceleración de campos de estelas láser es una de las formas más prometedoras de conseguirlo. El trabajo realizado por el equipo de investigación para estabilizar el plasma del que dependen estos aceleradores es un paso esencial hacia este objetivo.
Los instrumentos de sobremesa son esenciales en la investigación diaria, y el desarrollo de aceleradores compactos y láseres de electrones libres de rayos X permitirá avances en campos como las ciencias de la vida, la ciencia de materiales, el desarrollo de semiconductores y la ciencia cuántica. La construcción de aceleradores de sobremesa permitiría a los laboratorios pequeños llevar a cabo investigaciones que actualmente requieren instalaciones de aceleradores a gran escala.
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