Klíčová komponenta kompaktního laseru, heliová komora. Kredit: Bjorn „Manuel“ Hegelich.

Ač se to na první pohled nezdá, urychlovače částic mají velký potenciál pro řadu praktických aplikací, od polovodičů, diagnostiky a medicíny až po výzkum v materiálech či energetice. Problém je ovšem v tom, že tradiční urychlovače částic bývají obrovské. Například ve Spojených státech mají momentálně dva urychlovače částic, na nichž je možné dosáhnout energie 10 GeV. Oba jsou dost masivní a zabírají asi tak 3 kilometry. To pochopitelně podstatně omezuje jejich praktické využití.

Bjorn „Manuel“ Hegelich. Kredit: TAU Systems.

Mezinárodní tým odborníků z řady institucí a společnosti TAU Systems se sídlem v Texasu nedávno postavil průlomový ultrakompaktní urychlovač částic, s nímž dokázali urychlit částice stejně jako zmíněné americké urychlovače, tedy na 10 GeV. Jen s tím rozdílem, že urychlili částice na pouhých 10 centimetrech. Celý systém je přitom menší než 20 metrů.

Logo. Kredit: TAU Systems.

Je to ohromující průlom. Bjorn „Manuel“ Hegelich z University of Texas, který je zároveň šéfem TAU Systems, a jeho kolegové postavili pokročilý laserový urychlovač s brázdovým polem (wakefield laser akcelerator). Teď ho hodlají využívat například k testování odolnosti elektroniky vůči záření, zobrazování 3D vnitřních struktur polovodičových systémů i k vývoji nových léčebných postupů v onkologii a metod zobrazování v diagnostice.

Další věc je, že takovýto ultrakompaktní urychlovač může pohánět rentgenový laser na volných elektronech (X-ray free electron laser). Ten může pořizovat zpomalené záběry procesů na úrovni atomů a molekul, ať už jde o interakce léčiv s buňkami, pronikání virových částic do buněk, procesy v nabíjitelných bateriích nebo chemické reakce v solárních panelech.

Laserový urychlovač s brázdovým polem funguje tak, že výkonný laser zasáhne plynné helium, zahřeje ho do podoby plazmatu a vyvolají v něm vlny, které „vyšplouchnou“ elektrony z plazmatu a vytvoří vysokoenergetický paprsek elektronů. Hegelich a spol. tento koncept vylepšili s využitím nanočástic. Paprsek přídatného laseru ozářuje plátek kovu uvnitř komory s heliem, čímž vzniká proud kovových nanočástic, které v důsledku zesilují výslednou energii paprsku elektronů.

Video: Bjorn Manuel Hegelich presents: "How Relativistic Photonics Enables Compact Accelerators…"

Literatura

University of Texas 28. 11. 2013.

Matter and Radiation at Extremes online 15. 11. 2023.