Riassunto:
I gruppi di ricerca dell'Helmholtz Zentrum Rosendorf (HZDR) di Dresda, in Germania, e del Centro di radiazione al sincrotrone SOLEIL vicino a Parigi, in Francia, hanno recentemente annunciato di aver fatto un importante passo avanti nello sviluppo di una nuova generazione di laser compatti a elettroni liberi. Per la prima volta, i ricercatori sono riusciti a ottenere un funzionamento stabile e riproducibile di un laser a elettroni liberi al plasma in uno stato operativo ad alto guadagno, aprendo la strada alla costruzione futura di dispositivi laser a elettroni liberi più piccoli e a basso costo.
I laser a elettroni liberi sono uno strumento importante per la ricerca scientifica moderna. Possono produrre impulsi luminosi estremamente brevi e ad alta intensità e sono ampiamente utilizzati per studiare atomi, molecole e nuovi materiali. Tuttavia, la maggior parte degli attuali impianti laser a elettroni liberi in tutto il mondo sono grandi e costosi, lasciando ai ricercatori un tempo sperimentale molto limitato, quindi i ricercatori sperano da tempo di sviluppare alternative più compatte ed economiche.
I laser tradizionali a elettroni liberi richiedono l'uso di grandi acceleratori con una lunghezza massima di due chilometri per accelerare gli elettroni fino a raggiungere la velocità della luce. Il fascio di elettroni entra quindi in un ondulatore composto da magneti, che rilascia impulsi altamente coerenti di luce intensa mentre oscilla continuamente.
I nuovi laser a elettroni liberi dal plasma adottano un approccio completamente diverso. I ricercatori utilizzano i laser per generare onde speciali nel plasma, consentendo agli elettroni di "cavalcare" rapidamente le onde del plasma come se si surfasse. Con questo meccanismo, il livello di energia che originariamente richiedeva centinaia o addirittura migliaia di metri di distanza di accelerazione può ora essere raggiunto in pochi millimetri e la distanza di accelerazione complessiva viene ridotta di circa mille volte.
Nonostante i suoi notevoli vantaggi, questa tecnologia soffre da tempo di una stabilità insufficiente. Per gli esperimenti scientifici, l'emissione laser deve essere di qualità costante per ore o addirittura giorni, uno standard che i laser a elettroni liberi dal plasma hanno faticato a soddisfare in passato.
La chiave di questa svolta è che il team di ricerca è riuscito a ottenere un controllo preciso del processo di interazione tra laser e plasma. Gli scienziati utilizzano il sistema laser DRACO ad alte prestazioni di HZDR per emettere impulsi laser a infrarossi in un flusso di gas spesso solo pochi millimetri, generare un ambiente plasma stabile e regolare con precisione i parametri laser per adattarsi in modo ottimale alle condizioni del plasma.
Dopo aver completato l'accelerazione, il fascio di elettroni viene inviato al sistema ondulatore. I ricercatori hanno inoltre introdotto il meccanismo di interazione tra impulsi laser e fasci di elettroni per aumentare l’intensità della radiazione laser a elettroni liberi e ottenere una maggiore produzione di energia.
I risultati sperimentali hanno mostrato che il team ha generato con successo impulsi di luce ultravioletta ad alta energia con una lunghezza d'onda di 272 nanometri. Ancora più importante, la potenza del laser ha mostrato per la prima volta le caratteristiche uniche di crescita esponenziale dello stato ad alto guadagno, dimostrando che il sistema è entrato in una modalità operativa di forte amplificazione. Questo stato è considerato un segno importante del funzionamento ad alte prestazioni dei laser a elettroni liberi.
I ricercatori hanno affermato che, rispetto ai risultati pubblicati dal team nel 2023, questo esperimento ha ottenuto miglioramenti significativi. I laser a elettroni liberi dal plasma laser, che in passato erano difficili da garantire un funzionamento stabile e ripetuto, sono ora in grado di produrre in modo continuo e stabile radiazioni di alta qualità, creando possibilità per applicazioni pratiche di ricerca scientifica.
La comunità scientifica ritiene generalmente che questo risultato dovrebbe promuovere la miniaturizzazione e la divulgazione della tecnologia laser a elettroni liberi. In futuro, le apparecchiature pertinenti non dovranno più essere costruite nei grandi laboratori nazionali, ma avranno l’opportunità di essere ridotte a un ambito che le università o gli istituti di ricerca di medie dimensioni possono permettersi, fornendo così sorgenti luminose avanzate a più gruppi di ricerca scientifica.
I ricercatori hanno sottolineato che il sistema attuale produce ancora sorgenti luminose nella banda ultravioletta, ma attraverso ulteriori aggiornamenti e ottimizzazioni in futuro, si prevede che ridurrà la lunghezza d'onda a meno di 100 nanometri. A quel punto, questo tipo di laser compatto a elettroni liberi mostrerà un maggiore valore applicativo in campi quali la scienza dei materiali, l’osservazione delle reazioni chimiche, la ricerca biomedica e la nanotecnologia.
Questo risultato è stato pubblicato sulla rivista "Physical Review Letters" ed è considerato un'importante pietra miliare nello sviluppo della miniaturizzazione dei laser a elettroni liberi. Fornisce inoltre una base realistica per la futura costruzione di strutture per sorgenti luminose avanzate più economiche e facili da implementare.
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