Een team van onderzoekers van de Universiteit van Nebraska-Lincoln voerde onlangs een experiment uit waarbij ze plasma-elektronen konden versnellen tot bijna de lichtsnelheid. Deze "optische raket", die elektronen met een kracht van een triljoen biljoen keer groter dan die van een conventionele raket voortstuwde, zou ernstige gevolgen kunnen hebben voor alles, van ruimtevaart tot computergebruik en nanotechnologie.
Als het gaat om de toekomst van ruimteverkenning en wetenschappelijk onderzoek, is het duidelijk dat licht een cruciale rol zal spelen. Enerzijds onderzoeken ruimteagentschappen "optische communicatie" - het verzenden van informatie met behulp van lasers - om de toenemende hoeveelheden datamissies op te vangen en naar de aarde te sturen. Onderzoekers en ingenieurs kijken daarentegen naar lasers om microscopische manipulaties van materie en optische computers uit te voeren.
Een van de grootste uitdagingen bij dit soort toepassingen is echter de omvang van de betrokken apparatuur. Het komt erop neer dat conventionele, hoogenergetische lasers over het algemeen groot en duur zijn. Als zodanig zou het vermogen om het proces waarbij licht wordt gebruikt om deeltjes te versnellen, te verkleinen niet alleen een zegen zijn voor onderzoekers, het zou ook kunnen leiden tot talloze nieuwe toepassingen.
Dit is precies wat het team van UNL's Extreme Light Laboratory (ELL) deed met de Diocles Laser van het laboratorium. Deze röntgenlaser, die tien miljoen keer helderder is dan de zon, werd gebruikt om snelle laserpulsen te focussen op plasma-elektronen - een proces dat bekend staat als wakefield-versnelling (of elektronenversnelling). De studie die hun bevindingen beschrijft, verscheen onlangs in de Fysieke beoordelingsbrieven.
Gewoonlijk oefent licht een kleine kracht uit waar het wordt gereflecteerd, verstrooid of geabsorbeerd. Hoewel de kracht buitengewoon klein is, kan het een cumulatief effect hebben als het goed en continu gefocust is. Tijdens het experiment ontdekte het team dat lichtpulsen ervoor zorgden dat elektronen in het plasma uit het pad van de pulsen werden geduwd, waardoor plasmagolven ontstonden.
De elektronen namen ook extra versnelling op van deze "wakefield-golven", waardoor ze tot ultra-relativistische snelheden kwamen (d.w.z. dichtbij de lichtsnelheid). Zoals Donald Umstadter, de directeur van het Extreme Light Laboratory, uitlegde in een persbericht in Nebraska Today:
“Deze nieuwe en unieke toepassing van intens licht kan de prestaties van compacte elektronenversnellers verbeteren. Maar het nieuwe en meer algemene wetenschappelijke aspect van onze resultaten is dat de toepassing van lichtkracht resulteerde in de directe versnelling van materie. ”
Dit nieuwe experiment toonde effectief het vermogen aan om de beginfase van wakefieldversnelling te beheersen, wat de prestaties van compacte elektronenversnellers zou kunnen verbeteren. Het was opmerkelijk omdat het tal van toepassingen heeft die voorheen niet mogelijk waren vanwege de enorme omvang van conventionele elektronenversnellers.
Een dergelijke toepassing staat bekend als een "optische pincet", een proces waarbij licht wordt gebruikt om microscopische objecten te manipuleren. Een andere mogelijke toepassing is het concept dat bekend staat als het "lichte zeil" (ook bekend als zonne- of fotoncel), een methode voor ruimtevoortstuwing waarbij een gefocusseerde laserstraal wordt gebruikt om een reflecterend zeil te versnellen tot ongelooflijke snelheden.
Een voorbeeld hiervan is Breakthrough Starshot, een voorgesteld ruimtevaartuig dat wordt ontwikkeld door Breakthrough Initiatives - een non-profitorganisatie opgericht door de Russische miljardair Yuri Milner. Dit ruimtevaartuig, dat bestaat uit een nanocraft die door een vizier wordt gesleept, zou vertrouwen op gefocuste lasers om het te versnellen tot relativistische snelheden (20% van de lichtsnelheid). Met deze snelheid zou het vaartuig de reis naar Alpha Centauri in slechts 20 jaar kunnen maken en afbeeldingen van alle exoplaneten daar terug kunnen sturen (inclusief Proxima b).
Ondertussen zal dit experiment waarschijnlijk een aantal serieuze onderzoeksmogelijkheden openen voor deeltjesfysici. De studie werd geleid door Grigoroy Golovin, een postdoc-onderzoeker van het Extreme Light Laboratory (ELL) van de University of Nebraska-Lincoln (UNL), en omvatte meerdere wetenschappers van de ELL en de Shanghai Jiao Tong University.
