来自美国和法国的科学家正在重新思考辐射物理学的基本原理,目标是创造超亮光源。
例如,自由电子激光器现在被用于逐个原子地研究材料甚至病毒。但它们是巨大的实验室,有几个城市街区那么大。而且,使它们更强大意味着建造更大、更昂贵的设施。
Bernardo Malaca和他的同事们提出了使用准粒子来创造与当今最先进的光源一样强大的光源的方法 - 只是更小,使用更少的能量。
准粒子由许多同步运动的电子组成。事实证明,与按照物理共同定律行事的粒子不同,准粒子以自己的方式行事,例如,以任何速度行进 - 甚至比光速更快 - 或抵抗强大的力,例如在黑洞附近发现的力。
“准粒子最迷人的方面是它们能够以控制单个粒子的物理定律所不允许的方式移动,”罗切斯特大学的John Palastro教授解释说。
“灵活性是巨大的,”马六甲补充道。“即使每个电子执行相对简单的运动,所有电子的总辐射也可以模仿比光快的粒子或振荡粒子的总辐射,即使局部没有一个电子比光或振荡电子快。
基于准粒子的等离子体加速器
等离子体粒子加速器有望成为自由电子激光器的替代品,具有一个主要优势:这些设备不是农场的大小,而是适合桌子甚至椅子的设备。问题在于,它们需要比自由电子激光器中使用的辐射束更纯净的辐射束,而今天我们仍然无法产生具有这种纯度的光。
这就是该团队的提案出现的地方,它引入了一种基于他们称之为准粒子的“能量激发”运动的光源概念。这种光源取决于一组发光粒子的协调运动,其中时间相干性和超辐射度并不直接取决于粒子束的质量——也就是说,我们可以抛开对光纯度的担忧。
“相反,时间相干性和超辐射需要具有近乎恒定轮廓的局部电流密度,例如在强激光和等离子体中的粒子群之后通常产生的电流密度。[...]我们将这些局部和几乎恒定的电流密度分布表示为准粒子,“该团队解释说。
粒子加速器民主化
该团队通过运行计算机模拟研究了等离子体中准粒子的独特性质,证明它们可以成为下一代超强且有效小型化的粒子加速器的更简单,更便宜的替代品。
基于准粒子的光源的有前途的应用与当前加速器的光源一样广泛,包括用于扫描病毒的无损成像,了解光合作用等生物过程,制造计算机芯片以及探索物质在行星和恒星上的行为等等。
最重要的是,基于准粒子的光源可能比现有的光形式具有明显的优势,例如自由电子激光器,这些光形式是巨大的,这使得它们对大多数实验室、医院和企业来说不切实际。
根据现在提出的理论,准粒子可以在短距离内产生令人难以置信的明亮光,从而可能引发世界各地实验室的广泛科学和技术进步。