Et team av forskere fra University of Nebraska – Lincoln gjennomførte nylig et eksperiment der de var i stand til å akselerere plasmaelektroner til nær lysets hastighet. Denne "optiske raketten", som presset elektroner mot en styrke en billion billion billion ganger større enn den som genereres av en konvensjonell rakett, kan ha alvorlige implikasjoner for alt fra romfart til databehandling og nanoteknologi.
Når det gjelder fremtiden for romutforskning og vitenskapelig forskning, er det tydelig at lys vil spille en viktig rolle. På den ene siden undersøker romfartsorganisasjoner “optisk kommunikasjon” - sender informasjon ved hjelp av lasere - for å håndtere de økende mengder dataoppdrag som skal samles og sendes til Jorden. Forskere og ingeniører er derimot ute etter lasere for å utføre mikroskopiske manipulasjoner av materie og optiske datamaskiner.
Imidlertid har en av hovedutfordringene med denne typen applikasjoner vært størrelsen på utstyret som er involvert. Det det kommer ned til er det faktum at konvensjonelle lasere med høy energi generelt er store og dyre. Som sådan ville ikke evnen til å nedskalere prosessen der lys brukes til å akselerere partikler være bare en velsignelse for forskere, det kan også føre til utallige nye applikasjoner.
Dette er nettopp hva teamet fra UNLs Extreme Light Laboratory (ELL) gjorde ved hjelp av laboratoriets Diocles Laser. Denne røntgenlaseren, som er ti millioner ganger lysere enn solen, ble brukt til å fokusere raske laserpulser på plasmaelektroner - en prosess kjent som wakefield-akselerasjon (eller elektronakselerasjon). Studien som beskriver funnene deres nylig dukket opp i Fysiske gjennomgangsbrev.
Vanligvis utøver lys en ørliten kraft uansett hvor den blir reflektert, spredt eller absorbert. Mens kraften er svært liten, kan den ha en kumulativ effekt når den fokuseres riktig og kontinuerlig. Under eksperimentet fant teamet ut at lyspulser fikk elektroner i plasmaet til å skyves ut fra pulsenes vei, og skapte plasmabølger i kjølvannet av dem.
Elektronene hentet også ytterligere akselerasjon fra disse "wakefieldbølgene", noe som førte dem til ultra-relativistiske hastigheter (dvs. nær lysets hastighet). Som Donald Umstadter, direktøren for Extreme Light Laboratory, forklarte i en pressemelding fra Nebraska Today:
“Denne nye og unike bruken av intenst lys kan forbedre ytelsen til kompakte elektronakseleratorer. Men det nye og mer generelle vitenskapelige aspektet av resultatene våre er at anvendelsen av lysstyrken resulterte i en direkte akselerasjon av materien. ”
Dette nye eksperimentet demonstrerte effektivt evnen til å kontrollere den innledende fasen med wakefield-akselerasjon, noe som kan forbedre ytelsen til kompakte elektronakseleratorer. Det var betydelig ved at det har mange bruksområder som tidligere ikke var mulig på grunn av den enorme størrelsen på konvensjonelle elektronakseleratorer.
En slik applikasjon er kjent som en "optisk pinsett", en prosess der lys brukes til å manipulere mikroskopiske objekter. En annen mulig anvendelse er konseptet kjent som "lett seil" (aka sol- eller fotoncelle), en metode for romframdrift der en fokusert laserstråle brukes til å akselerere et reflekterende seil til utrolige hastigheter.
Et slikt eksempel på dette er Breakthrough Starshot, et foreslått romfartøy som er utviklet av Breakthrough Initiatives - en ideell organisasjon grunnlagt av den russiske milliardæren Yuri Milner. Dette romfartøyet består av et nanofartøy som blir tauet av en seilse, og vil stole på fokuserte lasere for å akselerere det til relativistiske hastigheter (20% lysets hastighet). Med denne hastigheten vil håndverket kunne ta turen til Alpha Centauri på bare 20 år og kunne sende tilbake bilder av alle eksoplaneter der (inkludert Proxima b).
I mellomtiden vil dette eksperimentet sannsynligvis åpne for noen seriøse forskningsmuligheter for partikkelfysikere. Studien ble ledet av Grigoroy Golovin, en postdoc-forsker fra University of Nebraska-Lincolns (UNL) Extreme Light Laboratory (ELL), og inkluderte flere forskere fra ELL og Shanghai Jiao Tong University.
