Kompaktowy pedał gazu generuje dziesiątki miliardów elektronowoltów energii, pozwalając elektronom surfować w śladzie lasera

Pedały gazu cząsteczkowego mają ogromny potencjał w zastosowaniach półprzewodników, obrazowaniu i terapii medycznej, materiałach, energii i badaniach medycznych. Jednak tradycyjne pedały gazu wymagają dużej przestrzeni do działania, są bardzo drogie i są dostępne tylko w kilku krajowych laboratoriach i uniwersytetach. Jak wynika z najnowszego wydania czasopisma Matter and Radiation in Extreme Conditions, zespół naukowców, w tym z Uniwersytetu Teksasu w Austin, zademonstrował kompaktowy pedał gazu zawierający cząstki stałe o długości mniejszej niż 20 metrów, zwany Advanced Laser Tail Field Accelerator, który wytwarza wiązka elektronów o energii 10 miliardów elektronowoltów.
Obecnie w USA są tylko dwa pedały gazu, które mogą osiągnąć tak wysokie energie elektronów, ale oba mają długość 3 km. Teraz badacze mogą osiągnąć tak wysokie energie w komorze w promieniu 10 centymetrów.
Pedały gazowe Laser Wake Field działają na zasadzie wystrzeliwania helu za pomocą niezwykle silnego lasera, który podgrzewa go do postaci plazmy i tworzy fale, które wybijają elektrony z gazu, tworząc wiązkę elektronów o wysokiej energii. Koncepcja ta zyskała szerokie uznanie od czasu jej zaproponowania w 1979 r.
Tym razem najważniejszy postęp zespołu badawczego opiera się na nanocząsteczkach. Pomocniczy laser uderza w metalową płytkę znajdującą się wewnątrz komory gazowej, która wtryskuje strumień metalicznych nanocząstek wzmacniających energię przenoszoną z fali na elektrony.
Laser niczym łódź muskająca powierzchnię jeziora pozostawia ślad, a elektrony poruszają się po tej fali plazmowej niczym surfer. Naukowcy porównują to do trudności surfera w niekontrolowanym wejściu na falę, więc zazwyczaj motorówka wciąga surfera w falę. W nowym pedale gazu nanocząsteczki przypominają łódź motorową, uwalniając elektrony w odpowiednim miejscu i czasie, dzięki czemu mogą „surfować” po fali ogonowej.
W swoich eksperymentach naukowcy wykorzystali jeden z najpotężniejszych laserów pulsacyjnych na świecie, Texas Tile Laser, który raz na godzinę emituje ultrasilny impuls światła trwający tylko 150 femtosekund.
Zespół bada obecnie możliwość wykorzystania pedału gazu do różnych celów, takich jak testowanie odporności elektroniki kosmicznej na promieniowanie, fotografowanie trójwymiarowych elementów konstrukcji chipów, a nawet opracowywanie nowych terapii przeciwnowotworowych i zaawansowanych technik obrazowania medycznego.
Pedał gazu można również wykorzystać do zasilania rentgenowskiego lasera na swobodnych elektronach – urządzenia, które może nagrywać filmy w zwolnionym tempie przedstawiające zdarzenia na skalę atomową lub molekularną, takie jak interakcje leku z komórką, zmiany wewnątrz baterii powodujące pożar na początek reakcje chemiczne wewnątrz panelu słonecznego i sposób, w jaki białka wirusowe zmieniają kształt podczas infekowania komórki.