Un team di ricercatori dell'Università del Nebraska-Lincoln ha recentemente condotto un esperimento in cui sono stati in grado di accelerare gli elettroni al plasma per avvicinarsi alla velocità della luce. Questo "razzo ottico", che ha spinto gli elettroni a una forza di mille trilioni di miliardi di volte superiore a quella generata da un razzo convenzionale, potrebbe avere serie implicazioni per qualsiasi cosa, dai viaggi nello spazio all'informatica e alla nanotecnologia.
Quando si tratta del futuro dell'esplorazione spaziale e della ricerca scientifica, è chiaro che la luce avrà un ruolo vitale. Da un lato, le agenzie spaziali stanno studiando le "comunicazioni ottiche" - invio di informazioni tramite laser - per gestire la crescente quantità di dati raccolti e inviati sulla Terra. Ricercatori e ingegneri, d'altra parte, stanno cercando laser per condurre manipolazioni microscopiche di materia e computer ottici.
Tuttavia, una delle principali sfide con questo tipo di applicazioni è stata la dimensione delle apparecchiature coinvolte. Ciò che si riduce è il fatto che i laser convenzionali ad alta energia sono generalmente grandi e costosi. Pertanto, la capacità di ridimensionare il processo in cui la luce viene utilizzata per accelerare le particelle non sarebbe solo un vantaggio per i ricercatori, ma potrebbe anche portare a innumerevoli nuove applicazioni.
Questo è esattamente ciò che il team dell'Extreme Light Laboratory (ELL) dell'UNL ha fatto utilizzando il Diocles Laser del laboratorio. Questo laser a raggi X, che è dieci milioni di volte più luminoso del sole, è stato usato per focalizzare rapidi impulsi laser sugli elettroni al plasma - un processo noto come accelerazione di wakefield (o accelerazione di elettroni). Lo studio che descrive i loro risultati è apparso di recente nel Lettere di revisione fisica.
Di solito, la luce esercita una forza minuscola ovunque sia riflessa, diffusa o assorbita. Mentre la forza è estremamente piccola, può avere un effetto cumulativo quando è focalizzata correttamente e continuamente. Durante l'esperimento, il team ha scoperto che gli impulsi luminosi causavano la fuoriuscita di elettroni nel plasma dal percorso degli impulsi, creando sulla loro scia onde di plasma.
Gli elettroni hanno anche raccolto un'accelerazione aggiuntiva da queste "onde di wakefield", che le hanno portate a velocità ultra-relativistiche (cioè vicine alla velocità della luce). Come ha spiegato Donald Umstadter, direttore dell'Extreme Light Laboratory, in un comunicato stampa del Nebraska Today:
“Questa nuova e unica applicazione di luce intensa può migliorare le prestazioni degli acceleratori di elettroni compatti. Ma il nuovo e più generale aspetto scientifico dei nostri risultati è che l'applicazione della forza della luce ha portato all'accelerazione diretta della materia. "
Questo nuovo esperimento ha dimostrato efficacemente la capacità di controllare la fase iniziale dell'accelerazione di wakefield, che potrebbe migliorare le prestazioni degli acceleratori di elettroni compatti. È stato significativo in quanto ha numerose applicazioni che prima non erano possibili, a causa delle enormi dimensioni degli acceleratori di elettroni convenzionali.
Una di queste applicazioni è nota come "pinzetta ottica", un processo in cui la luce viene utilizzata per manipolare oggetti microscopici. Un'altra possibile applicazione è il concetto noto come "vela leggera" (alias cella solare o fotonica), un metodo di propulsione spaziale in cui un raggio laser focalizzato viene utilizzato per accelerare una vela riflettente a velocità incredibili.
Un esempio di questo è Breakthrough Starshot, un veicolo spaziale proposto sviluppato da Breakthrough Initiatives - un'organizzazione senza scopo di lucro fondata dal miliardario russo Yuri Milner. Composto da un nanocraft trainato da una nave panoramica, questo veicolo spaziale si affiderebbe a laser focalizzati per accelerarlo a velocità relativistiche (20% della velocità della luce). A questa velocità, l'imbarcazione sarebbe stata in grado di compiere il viaggio verso Alpha Centauri in soli 20 anni e potrebbe rispedire le immagini di eventuali esopianeti lì (incluso Proxima b).
Nel frattempo, questo esperimento probabilmente aprirà alcune serie opportunità di ricerca per i fisici delle particelle. Lo studio è stato condotto da Grigoroy Golovin, un ricercatore post-dottorato presso il Extreme Light Laboratory (ELL) dell'Università del Nebraska-Lincoln (UNL), e ha incluso numerosi scienziati dell'ELL e della Shanghai Jiao Tong University.
