Thượng Hải Light Machine lần đầu tiên trên thế giới thực hiện một bước đột phá lớn trong thí nghiệm tăng tốc trực tiếp bằng laser siêu mạnh

Gần đây, nhóm nghiên cứu phòng thí nghiệm trọng điểm quốc gia về khoa học và công nghệ laser siêu mạnh của Viện nghiên cứu máy móc chính xác quang học Thượng Hải của Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, lần đầu tiên trên thế giới đã xác minh tính khả thi của việc sử dụng laser Laguer Gauss tương đối (LG) để đạt được gia tốc laser trực tiếp (DLA), thành công trong việc tạo ra chùm điện tử siêu nhanh ổn định, độ phát xạ thấp và độ chính xác cao. Tiến bộ này đã phá vỡ nút cổ chai cốt lõi của công nghệ gia tốc trực tiếp laser Gaussian truyền thống và mở ra một con đường hoàn toàn mới cho sự phát triển lặp đi lặp lại trong các lĩnh vực ứng dụng tiên tiến như máy gia tốc hạt nhỏ và nguồn bức xạ năng lượng cao. Kết quả nghiên cứu có tựa đề "Experimental Demonstration of Directionaland Collimated Electron Acceleration with Hollow Laguerre – Gaussian Laser" được công bố trên Physical Review Letters 137, 025001 (2026).

Với sự lặp lại nhanh chóng của công nghệ laser femto giây siêu mạnh, cường độ laser đã đạt đến mức tương đối tính (cường độ>10⁸W/cm²). Trong điều kiện vật lý khắc nghiệt này, vật chất hoàn toàn bị ion hóa để tạo thành một plasma bao gồm các electron và ion. Trong số đó, các electron có khối lượng cực nhẹ có thể được tăng tốc trực tiếp bằng điện trường laser, quá trình này được gọi là gia tốc laser trực tiếp (DLA), là nền tảng cốt lõi của nhiều lĩnh vực tiên tiến như máy gia tốc tiên tiến, nguồn bức xạ năng lượng cao, đánh lửa nhanh laser, khoa học giây và những đột phá công nghệ của nó liên quan trực tiếp đến quá trình phát triển của nhiều ngành.

Tuy nhiên, công nghệ DLA truyền thống từ lâu đã bị mắc kẹt trong một vấn đề nan giải cốt lõi: công nghệ này chủ yếu dựa vào động lực học khối lượng dọc của laser Gauss, nhưng động lực học khối lượng ngang của laser Gauss có sự phân bố Gauss chắc chắn sẽ đẩy electron sang một bên, cản trở nghiêm trọng sự tăng tốc ổn định của electron, hạn chế đáng kể tốc độ của công nghệ DLA từ phòng thí nghiệm đến ứng dụng thực tế, trở thành vấn đề "mắc kẹt" trong lĩnh vực liên quan.

Trên cơ sở nghiên cứu tăng tốc sản xuất và truyền động laser siêu mạnh trước đó, nhóm nghiên cứu đã mở rộng lĩnh vực thử nghiệm tăng tốc điện tử một cách sáng tạo trường laser có cấu trúc. Trong số này, laser Laguerre-Gauss (LG), với sự phân bố cường độ rỗng độc đáo và động lượng góc quỹ đạo nội tại (OAM), cung cấp khả năng xử lý chính xác các electron chưa từng có, là chìa khóa để phá vỡ nút thắt công nghệ.

Kết quả thí nghiệm cho thấy laser LG phân cực tròn trái có điện trường dọc độc đáo trên trục quang, kết hợp với hiệu ứng chùm tia trường ngang để tạo ra một cấu trúc tăng tốc "chân không rỗng" ổn định - một cấu trúc tương tự như cấu trúc bong bóng plasma trong tăng tốc trường sóng đuôi cổ điển, cung cấp một môi trường tuyệt vời cho sự tăng tốc ổn định, hiệu quả cao của các electron.

Kết quả này không chỉ lấp đầy khoảng trống trong việc xác minh thử nghiệm DLA điều khiển bằng laser tương đối của LG, mà còn phá vỡ nút thắt hiệu suất của công nghệ tăng tốc laser truyền thống, cải thiện đáng kể độ ổn định và tính chuẩn trực của chùm tia điện tử, đặt nền tảng vững chắc cho việc nâng cấp lặp lại công nghệ tăng tốc laser. Hơn nữa, gradient gia tốc trong lĩnh vực laser của LG tỷ lệ thuận với cường độ laser và không liên quan đến môi trường plasma phức tạp của các giai đoạn tiếp theo, một tính năng mở ra một con đường hoàn toàn mới để tạo ra cấu trúc gia tốc vi mô ở cấp micron, hứa hẹn sẽ đưa "máy gia tốc vi mô" từ khái niệm đến thực tế. Trong tương lai, khi công nghệ được tối ưu hóa hơn nữa, công nghệ này hứa hẹn sẽ được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như vật lý siêu nhanh, khoa học vật liệu và hình ảnh y tế, thúc đẩy sự phát triển nhảy vọt của các ngành liên quan.

Trích dẫn:Thượng Hải Light Machine lần đầu tiên trên thế giới thực hiện một bước đột phá lớn trong thí nghiệm tăng tốc trực tiếp bằng laser siêu mạnhOntology Editor – công c(