Un gruppo di ricerca apre la strada alla realizzazione di laser a elettroni liberi compatti ed economici
Il FEL laser-plasma potrebbe risolvere il collo di bottiglia rappresentato dai tempi di misurazione nella ricerca
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I lampi di luce estremamente brevi e intensi sono molto richiesti per lo studio di atomi, molecole e nuovi materiali. Questi lampi sono generati dai laser a elettroni liberi (FEL). Tuttavia, in tutto il mondo, il tempo di fascio disponibile presso le grandi strutture di ricerca è limitato e i tempi di attesa sono lunghi. I ricercatori dell’Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) e del sincrotrone SOLEIL, nei pressi di Parigi, hanno compiuto un passo fondamentale in questa direzione: per la prima volta sono riusciti a far funzionare un FEL laser-plasma in modo stabile e riproducibile nel cosiddetto regime ad alto guadagno – uno stato operativo caratterizzato da un’amplificazione particolarmente elevata della radiazione generata.
Nell'undulatore, il fascio di elettroni proveniente da un acceleratore compatto a laser-plasma interagisce con un impulso laser. Questa interazione potenzia la radiazione FEL generata e consente di ottenere energie di impulso più elevate.
HZDR/Blaurock
«La stabilità – ovvero lampi di luce che mantengono costantemente un’elevata qualità per ore o addirittura giorni – è estremamente importante per tutti gli esperimenti che coinvolgono un FEL», afferma il dott. Arie Irman dell’Istituto di Fisica delle Radiazioni dell’HZDR. Gli impianti convenzionali su larga scala hanno raggiunto da tempo questa stabilità, ma non il FEL laser-plasma. Ora, dopo anni di ricerca, il team di Irman è riuscito a risolvere questo problema. Sono stati generati impulsi di luce ultravioletta con una lunghezza d’onda di 272 nanometri e un’elevata energia di impulso. La potenza del FEL ha mostrato la crescita esponenziale caratteristica del regime ad alto guadagno. «Si tratta di un progresso significativo rispetto ai risultati che abbiamo pubblicato nel 2023», aggiunge Irman.
Cavalcando l’onda di plasma
In linea di principio, un FEL laser-plasma funziona come un laser a elettroni liberi convenzionale: per generare i flash di luce intensi, i ricercatori hanno inizialmente bisogno di elettroni ad alta energia che viaggiano quasi alla velocità della luce. Questi entrano quindi in una serie di magneti, nota come ondulatore, che costringe gli elettroni a seguire una traiettoria ondulatoria che, a sua volta, li induce a formare minuscoli pacchetti che emettono intensi lampi di luce coerente.
Finora, per portare gli elettroni all’energia necessaria, sono stati necessari acceleratori su larga scala, lunghi fino a circa due chilometri. «In un FEL laser-plasma, questa distanza può essere ridotta di circa un fattore mille», afferma la dottoressa Marie Labat del Sincrotrone SOLEIL. «Gli elettroni, in pratica, cavalcano un’onda di plasma». Dopo pochi millimetri raggiungono energie per le quali un acceleratore convenzionale richiederebbe molti metri.
La stabilità è fondamentale
La chiave del successo risiedeva nel controllo preciso dell’interazione tra il laser e il plasma. A tal fine, il team ha utilizzato il laser ad alte prestazioni DRACO dell’HZDR. I suoi impulsi infrarossi hanno generato il plasma necessario in un fascio di gas dello spessore di un millimetro. «Siamo riusciti a sintonizzare con precisione il laser in modo che si adattasse al plasma», afferma la dottoressa Susanne Schöbel, fisica dell’HZDR. Ciò è stato tutt’altro che facile, poiché l’interazione tra il laser e il plasma è determinata da processi non lineari difficili da controllare. «Grazie al fascio di elettroni ben controllato, siamo riusciti a generare intensi lampi di luce ultravioletta in modo stabile e riproducibile utilizzando il nostro ondulatore». Una caratteristica distintiva di questo risultato è stata la crescita esponenziale della potenza di uscita della radiazione, osservata dal team per la prima volta.
Tuttavia, questo successo non segna la fine del percorso di sviluppo. I ricercatori intendono ottimizzare ulteriormente l’interazione tra il laser e il plasma, nonché il percorso dell’undulatore, per migliorare la qualità dei lampi luminosi. «I lampi luminosi su questa lunghezza d’onda ultravioletta sono solo l’inizio», afferma Irman. Il loro prossimo obiettivo è la luce ultravioletta estrema (EUV). Una radiazione di questo tipo potrebbe essere utilizzata, ad esempio, per un controllo di qualità più efficiente dei chip per computer nanostrutturati. Anche se ci vorranno sicuramente alcuni anni prima che i FEL laser-plasma compatti possano affiancare gli impianti su larga scala, l’interesse è già molto elevato.
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