Femtoseconde-lasers en geordende nanopilaren: een nieuw pad voor snelle elektronencontrole

Het Tata Institute of Fundamental Research, Mumbai, heeft in samenwerking met de Australian National University, Canberra een nieuwe manier gedemonstreerd om een ​​straal relativistische elektronenpulsen te sturen die worden geproduceerd door een femtoseconde laser met ultrahoge intensiteit. Hun studie is gepubliceerd in het journaal Laser- en fotonicarecensies.

Bundels van hoogenergetische elektronen zijn cruciaal voor fundamentele wetenschap en talloze toepassingen en technologieën, zoals beeldvorming, halfgeleiderlithografie, materiaalkunde en medische therapieën. Dergelijke bundels zijn doorgaans afkomstig van versnellers: complexe, dure apparaten van grote afmetingen en met geavanceerde, krachtige elektrische en regelsystemen. En elk ervan is gericht op werking in een bepaald regime van energieën en stromingen, dat heel moeilijk naar believen te wijzigen is.

Femtoseconde-laserpulsen met hoge intensiteit hebben elektronen tot zeer hoge energieën gedreven die miljoenen en miljard elektronvolt bereiken over lengteschalen die 100 tot 1.000 keer korter zijn dan conventionele versnellers, wat een revolutie in compactificatie en controle belooft. Een groot deel van deze vooruitgang is bereikt met behulp van gasvormige plasmadoelen en de bundeling van de elektronen vindt doorgaans plaats in de richting van de laser zelf.

Het is daarom absoluut noodzakelijk om manieren te vinden om elektronen met grotere fluxen te krijgen, bijvoorbeeld met behulp van een solide doelwit, en tegelijkertijd hun directionaliteit te controleren. Voor vlakke vaste stoffen bepalen de invalsrichting en de polarisatie van de laser de energieën en de emissierichting van de elektronen. De bundels zijn vrij breed in hun hoekspreiding en worden zelfs nog breder bij hogere laserintensiteiten. Het veranderen van hun richting of het vormen van een smalle straal zijn uiterst moeilijke uitdagingen.

Dit is precies waar de huidige vooruitgang in beeld komt. Met behulp van een vaste stof met een oppervlak versierd met nanopilaren, sturen de auteurs MeV-energiepulsen van elektronen aan en sturen ze in smalle bundels door de invalshoek van de laser aan te passen. De nanostructuur versterkt de lokale elektrische velden, waardoor een hogere versnelling ontstaat dan bij vlakke oppervlakken mogelijk is, terwijl een oordeelkundige keuze van de invalshoek en de afstand de elektronenpulsen in de gewenste richting kunnen sturen. Een geweldige bonus: simulaties laten zien dat de elektronenpulsen een duur van attoseconden hebben.

Samenvattend kunnen geordende nanostappen niet alleen een enorme schop geven aan elektronen, maar ze ook strak in de tijd bundelen en ze opdracht geven in bepaalde richtingen te reizen. De auteurs noemen dit ‘plasma-nanofotonica’, een analogie met een reeks antennes die op de juiste afstand van elkaar gerichte, coherente elektromagnetische straling uitzenden.