Квазичастицы, бросающие вызов физике, могут открыть совершенно новый мир микроскопии
Чтобы проникнуть в частную жизнь объектов в микроскопической сфере (и за ее пределами), ученые часто полагаются на чрезвычайно яркие источники света.
Лазеры на свободных электронах, которые дают наилучшие результаты, ускоряют электроны за несколько километров до скорости света, перемещая их через большой зал магнитов, чтобы высвободить интенсивные импульсы фотонов, которые освещают материалы для исследования.
Теперь международная группа физиков считает, что они могут достичь того же эффекта с помощью гораздо меньшее устройство, использующее квазичастицы – частицы, подобные объектам, возникающим в результате сложных взаимодействий коллектива других частиц.
Если их концепцию удастся превратить в работоспособную технологию, это может дать еще больше исследователей вокруг мир получает беспрецедентную возможность увидеть мельчайшие структуры, которые они изучают, что дает представление о вирусах, компьютерных чипах, фотосинтезе и химии звезд.
Ускорители частиц, которые могут поместиться внутри здания, гораздо менее мощны, чем такие, как Источник когерентного света Linac (LCLS) в Калифорнии. Размером с небольшой городок, его длинная электронная трасса способна излучать высокоэнергетические волны света в рентгеновской части спектра.
Но уже достигнут прогресс в миниатюризации ускорителей элементарных частиц, особенно когда речь идет об устройствах, ускоряющих заряженные частицы или плазму.
Группа международных исследователей использовала компьютерное моделирование, чтобы продемонстрировать, как эти компактные плазменные ускорители могут производить яркий свет, эквивалентный тому, который создается большими ускорителями частиц.
Хитрость заключалась в том, чтобы понять, как плазменные ускорители генерируют квазичастицы.
Квазичастицы — это когерентные системы, которые могут возникать при возмущении или возбуждении среды. Хотя они созданы в результате групповых усилий, с ними можно обращаться как с дискретными частицами, поскольку они обладают стабильными свойствами, такими как заряд, масса, энергия, размер, форма и импульс.
Поскольку квазичастицы могут быть созданы посредством скоординированного движения. Будучи совокупностью светоизлучающих частиц, движущихся в среде, они могут проскользнуть через лазейки в законах физики, которые в противном случае ограничивали бы более обычные частицы.
Они могут даже двигаться быстрее, чем свет перемещался бы в той же среде. середина. Это возможно, потому что свет замедляется при движении через что-либо, кроме вакуума, поэтому квазичастицы могут его догонять.
«Самый увлекательный аспект квазичастиц — это их способность двигаться способами, запрещенными законами. физики, управляющей отдельными частицами», — говорит физик и соавтор Джон Паластро.
«Гибкость огромна», — говорит докторант и первый автор Бернардо Малака.
«Хотя каждый электрон совершает относительно простые движения, общее излучение всех электронов может имитировать излучение частицы, движущейся быстрее света, или колеблющейся частицы, хотя локально нет ни одного электрона, который был бы быстрее света или колеблющегося электрона». /p>
Квазичастицы также могут создавать сверхизлучение; сверхяркий луч фотонов, который создается совокупностью частиц, работающих синхронно.
Исследователи показали, что теоретически возможно создать это сверхизлучение, используя квазичастицы внутри плазменного лазера, создавая длины волн между инфракрасными и и ультрафиолетовые части спектра.
«Такой прогресс может привести к исследованиям и технологиям, которые доступны только в нескольких лазерах на свободных электронах во всем мире, непосредственно во многих университетах, h лабораторий больничного и промышленного масштаба», — пишут исследователи.
«Следовательно, возникновение временной когерентности и сверхизлучения является недостающий ингредиент для создания компактных, доступных и конкурентоспособных источников света на основе плазменных ускорителей».
Эта статья была опубликована в журнале Nature Photonics.
