Kawanan elektron sebagai pengendara gelombang

Untuk pertama kalinya fisikawan mengamati percepatan elektron dengan laser intensitas tinggi secara real time

Representasi artistik dari percepatan elektron yang digerakkan laser. Sebuah pulsa cahaya yang intens (kuning-oranye) menciptakan gelombang plasma (permukaan termodulasi putih) dari elektron yang bergetar dan ion helium stasioner. Beberapa elektron melepaskan darinya dan terbang seperti gerombolan dengan hampir kecepatan cahaya (manik-manik merah) di belakang pulsa laser. © Christian Hackenberger
membacakan

Perilaku segerombolan tidak hanya ada pada burung, serangga atau ikan, mikrokosmos juga memiliki fenomena yang sama untuk ditawarkan: Sebuah tim fisikawan sekarang telah berhasil untuk pertama kalinya untuk mengamati kawanan elektron yang dipercepat laser dalam interaksi dengan gelombang plasma.

Para peneliti dari Max Planck Institute for Quantum Optics (MPQ), University of Munich (LMU), University of Jena dan Helmholtz Institute Jena telah membuat dokumentasi real-time tentang bagaimana mengatur elektron menjadi bundel di bawah pengaruh pulsa laser yang kuat dan berperilaku slipstream mereka selama penerbangan.

Temuan ini memfasilitasi pengembangan elektron dan sumber cahaya baru, yang digunakan, misalnya, untuk mengeksplorasi struktur atom dan molekul, menurut para ilmuwan dalam jurnal Nature Physics. Dalam kedokteran, pengetahuan untuk mengembangkan sumber sinar-X baru, yang resolusinya akan jauh lebih baik daripada perangkat saat ini.

Campuran elektron dan ion

Ketika pulsa laser pendek menyerang atom helium, strukturnya akan berputar dengan baik: jika cahayanya cukup kuat, ia akan mengeluarkan elektron dari atom helium, mengubahnya menjadi ion. Campuran elektron dan ion yang dihasilkan adalah plasma di mana gelombang dapat dihasilkan di bawah pengaruh cahaya yang kuat - seperti perahu yang bergerak di permukaan air dan menarik gelombang di belakangnya.

Dalam percobaan mereka, fisikawan memfokuskan pulsa laser pada nozzle gas, dari mana gas helium mengalir. Denyut nadi hanya berlangsung beberapa femtosekon - sepersejuta dari sepersejuta detik. Pulsa laser intensitas tinggi merobek elektron secara formal dari atom. Dalam koktail ini, elektron jauh lebih ringan daripada lambung atom helium, yang membuat laser lebih mudah untuk disingkirkan. Ketika pulsa laser menyapu seluruh sistem, ion-ion tetap diam dan elektron-elektron yang dilepaskan mulai berosilasi. pameran

Dari aliran atom helium nozzle kecil, yang terionisasi oleh pulsa laser. Ini menciptakan gelombang plasma dari ion helium dan elektron bebas. Bagian dari elektron dapat hinabsurfÂș gelombang ini dan dengan demikian dipercepat hampir dengan kecepatan cahaya. IOQ / FSU

Medan listrik raksasa

Menurut fisikawan, medan listrik raksasa terbentuk dalam gelombang plasma yang dihasilkan oleh getaran individu ini. Sebagian kecil elektron menggunakan medan dan terbang sebagai gerombolan di lee pulsa laser di belakang.

"Orang juga dapat membayangkan kawanan elektron sebagai pengendara gelombang, yang melayang turun ke gelombang air dan dengan demikian semakin cepat dan lebih cepat, " jelas Profesor Malte Kaluza, profesor junior untuk fisika eksperimental dan ultraphotonics di Universitas Jena. Elektron dipercepat mendekati kecepatan cahaya, dengan masing-masing elektron memiliki energi yang hampir sama.

Dokumentasi gabungan dengan resolusi tinggi dari gelombang plasma berhasil

Fenomena ini telah lama dikenal dalam fisika. Sejauh ini, bagaimanapun, hanya pengamatan tunggal dengan resolusi berkurang, baik dari segerombolan elektron atau seluruh gelombang plasma yang dimungkinkan. Dalam percobaan yang sangat mirip yang dilakukan Kaluza dan kelompoknya di masa lalu dengan Laser JETI, prinsipnya telah ditunjukkan. Bersama dengan fisikawan laser Garching dan sistem laser lokal, dokumentasi gabungan dengan resolusi tinggi dari gelombang plasma kini telah berhasil untuk pertama kalinya.

Film percepatan elektron

Proses ini ditangkap dalam foto menggunakan pulsa cahaya yang sama yang juga mempercepat elektron. Para fisikawan sebelumnya membelah pulsa laser, sehingga sebagian kecil mengenai sistem elektron bebas dan ion pada sudut kanan. Cahaya ini dibiaskan pada gelombang plasma yang tersusun secara berkala, di mana refraksi berubah dan sebagian dibelokkan.

Gangguan ini adalah kamera menurut para peneliti menurut perbedaan kecerahan. Medan magnet yang dihasilkan oleh kawanan elektron juga dicatat. Dari kedua metode pengukuran, akhirnya, sebuah film hasil percepatan elektron.

Pengetahuan yang ditingkatkan tentang percepatan elektron yang digerakkan oleh laser membantu kita mengembangkan sumber sinar-X baru yang belum pernah ada sebelumnya untuk penelitian dasar dan juga untuk obat-obatan Ferenc Krausz dari Laboratorium Fisika Attosecond (LAP) di Max Planck Institute for Quantum Optics (MPQ). (Fisika Alam, 2011; doi: 10.1038 / NPHYS1942)

(Universitas Jena / MPQ, 15.03.2011 - DLO)