Μια ομάδα ερευνητών από το Πανεπιστήμιο της Νεμπράσκα-Λίνκολν διεξήγαγε πρόσφατα ένα πείραμα όπου κατάφεραν να επιταχύνουν τα ηλεκτρόνια πλάσματος ώστε να πλησιάσουν στην ταχύτητα του φωτός. Αυτός ο «οπτικός πύραυλος», ο οποίος ώθησε τα ηλεκτρόνια σε δύναμη ένα τρισεκατομμύριο τρισεκατομμύρια φορές μεγαλύτερο από αυτόν που δημιουργούσε ένας συμβατικός πύραυλος, θα μπορούσε να έχει σοβαρές επιπτώσεις για τα πάντα, από το διαστημικό ταξίδι έως τους υπολογιστές και τη νανοτεχνολογία.
Όσον αφορά το μέλλον της εξερεύνησης του διαστήματος και της επιστημονικής έρευνας, είναι σαφές ότι το φως θα διαδραματίσει ζωτικό ρόλο. Από τη μία πλευρά, οι διαστημικές υπηρεσίες διερευνούν τις «οπτικές επικοινωνίες» - στέλνοντας πληροφορίες χρησιμοποιώντας λέιζερ - για να χειριστούν τις αυξανόμενες ποσότητες δεδομένων που θα συλλέγουν και θα στέλνουν οι αποστολές στη Γη. Οι ερευνητές και οι μηχανικοί, από την άλλη πλευρά, αναζητούν λέιζερ για τη διεξαγωγή μικροσκοπικών χειρισμών ύλης και οπτικών υπολογιστών.
Ωστόσο, μία από τις κύριες προκλήσεις με τέτοιου είδους εφαρμογές είναι το μέγεθος του εξοπλισμού που εμπλέκεται. Αυτό που καταλήγει είναι το γεγονός ότι τα συμβατικά λέιζερ υψηλής ενέργειας είναι γενικά μεγάλα και ακριβά. Ως εκ τούτου, η ικανότητα μείωσης της διαδικασίας όπου το φως χρησιμοποιείται για την επιτάχυνση των σωματιδίων δεν θα ήταν μόνο ένα όφελος για τους ερευνητές, αλλά θα μπορούσε επίσης να οδηγήσει σε αμέτρητες νέες εφαρμογές.
Αυτό ακριβώς έκανε η ομάδα του εργαστηρίου Extreme Light (UNL) της UNL χρησιμοποιώντας το Diocles Laser του εργαστηρίου. Αυτό το ακτινογραφικό λέιζερ, το οποίο είναι δέκα εκατομμύρια φορές πιο φωτεινό από τον ήλιο, χρησιμοποιήθηκε για να εστιάσει τους γρήγορους παλμούς λέιζερ στα ηλεκτρόνια πλάσματος - μια διαδικασία γνωστή ως επιτάχυνση του πεδίου μετάβασης (ή επιτάχυνση ηλεκτρονίων). Η μελέτη που περιγράφει τα ευρήματά τους εμφανίστηκε πρόσφατα στο Επιστολές φυσικής αναθεώρησης.
Συνήθως, το φως ασκεί μια μικρή δύναμη όπου ανακλάται, διασκορπίζεται ή απορροφάται. Ενώ η δύναμη είναι εξαιρετικά μικρή, μπορεί να έχει σωρευτικό αποτέλεσμα όταν εστιάζεται σωστά και συνεχώς. Κατά τη διάρκεια του πειράματος, η ομάδα διαπίστωσε ότι οι ελαφριοί παλμοί προκάλεσαν τα ηλεκτρόνια στο πλάσμα να ωθούνται έξω από τη διαδρομή των παλμών, δημιουργώντας κύματα πλάσματος μετά από αυτά.
Τα ηλεκτρόνια πήραν επίσης επιπρόσθετη επιτάχυνση από αυτά τα «κύματα πεδίου μετάβασης», τα οποία τα έφεραν σε εξαιρετικά σχετικιστικές ταχύτητες (δηλαδή κοντά στην ταχύτητα του φωτός). Όπως εξήγησε ο Donald Umstadter, διευθυντής του Extreme Light Laboratory, σε ένα δελτίο τύπου της Nebraska Today:
«Αυτή η νέα και μοναδική εφαρμογή έντονου φωτός μπορεί να βελτιώσει την απόδοση των επιταχυντών μικρών ηλεκτρονίων. Αλλά η νέα και γενικότερη επιστημονική πτυχή των αποτελεσμάτων μας είναι ότι η εφαρμογή της δύναμης του φωτός είχε ως αποτέλεσμα την άμεση επιτάχυνση της ύλης. "
Αυτό το νέο πείραμα απέδειξε αποτελεσματικά την ικανότητα ελέγχου της αρχικής φάσης της επιτάχυνσης του πεδίου μετάβασης, η οποία θα μπορούσε να βελτιώσει την απόδοση των επιταχυντών μικρών ηλεκτρονίων. Είναι σημαντικό στο ότι έχει πολλές εφαρμογές που προηγουμένως δεν ήταν δυνατές, λόγω του τεράστιου μεγέθους των συμβατικών επιταχυντών ηλεκτρονίων.
Μία τέτοια εφαρμογή είναι γνωστή ως «οπτικό τσιμπιδάκι», μια διαδικασία όπου το φως χρησιμοποιείται για τον χειρισμό μικροσκοπικών αντικειμένων. Μια άλλη πιθανή εφαρμογή είναι η ιδέα που είναι γνωστή ως «ελαφρύ πανί» (γνωστό και ως ηλιακό ή φωτονίο κύτταρο), μια μέθοδος διαστημικής προώθησης όπου μια εστιασμένη δέσμη λέιζερ χρησιμοποιείται για να επιταχύνει ένα ανακλαστικό πανί σε απίστευτες ταχύτητες.
Ένα τέτοιο παράδειγμα είναι το Breakthrough Starshot, ένα προτεινόμενο διαστημικό σκάφος που αναπτύσσεται από την Breakthrough Initiatives - μια μη κερδοσκοπική οργάνωση που ιδρύθηκε από τον Ρώσο δισεκατομμυριούχο Yuri Milner. Αποτελούμενο από ένα νανοσκάφος που έλκεται από ένα αξιοθέατο, αυτό το διαστημικό σκάφος θα βασίζεται σε εστιασμένα λέιζερ για να το επιταχύνει σε σχετικιστικές ταχύτητες (20% την ταχύτητα του φωτός). Με αυτήν την ταχύτητα, το σκάφος θα μπορούσε να κάνει το ταξίδι στο Alpha Centauri σε μόλις 20 χρόνια και θα μπορούσε να στείλει εικόνες οποιωνδήποτε εξωπλανητών εκεί (συμπεριλαμβανομένου του Proxima b).
Εν τω μεταξύ, αυτό το πείραμα είναι πιθανό να ανοίξει ορισμένες σοβαρές ερευνητικές ευκαιρίες για φυσικούς σωματιδίων. Η μελέτη διεξήχθη από τον Grigoroy Golovin, έναν μεταπτυχιακό ερευνητή από το Πανεπιστήμιο Nebraska-Lincoln's (UNL) Extreme Light Laboratory (ELL), και περιελάμβανε πολλούς επιστήμονες από το ELL και το Πανεπιστήμιο Shanghai Jiao Tong.
