Un equipo de investigadores de la Universidad de Nebraska – Lincoln realizó recientemente un experimento en el que pudieron acelerar los electrones del plasma para acercarse a la velocidad de la luz. Este "cohete óptico", que empujó los electrones a una fuerza un billón de billones de veces mayor que la generada por un cohete convencional, podría tener serias implicaciones para todo, desde los viajes espaciales hasta la informática y la nanotecnología.
Cuando se trata del futuro de la exploración espacial y la investigación científica, está claro que la luz tendrá un papel vital. Por un lado, las agencias espaciales están investigando las "comunicaciones ópticas", enviando información utilizando láseres, para manejar las crecientes cantidades de misiones de datos que se recopilarán y enviarán a la Tierra. Los investigadores e ingenieros, por otro lado, están buscando láseres para realizar manipulaciones microscópicas de la materia y las computadoras ópticas.
Sin embargo, uno de los principales desafíos con este tipo de aplicaciones ha sido el tamaño del equipo involucrado. Todo se reduce al hecho de que los láseres convencionales de alta energía son generalmente grandes y caros. Como tal, la capacidad de reducir el proceso donde la luz se usa para acelerar las partículas no solo sería una bendición para los investigadores, sino que también podría conducir a innumerables aplicaciones nuevas.
Esto es precisamente lo que hizo el equipo del Laboratorio de luz extrema (ELL) de UNL utilizando el láser Diocles del laboratorio. Este láser de rayos X, que es diez millones de veces más brillante que el sol, se utilizó para enfocar pulsos rápidos de láser en electrones de plasma, un proceso conocido como aceleración de campo de estela (o aceleración de electrones). El estudio que describe sus hallazgos apareció recientemente en el Cartas de revisión física.
Ordinariamente, la luz ejerce una pequeña fuerza donde sea que se refleje, se disperse o se absorba. Si bien la fuerza es extremadamente pequeña, puede tener un efecto acumulativo cuando se enfoca de manera adecuada y continua. Durante el experimento, el equipo descubrió que los pulsos de luz hacían que los electrones en el plasma fueran expulsados del camino de los pulsos, creando ondas de plasma a su paso.
Los electrones también obtuvieron una aceleración adicional de estas "ondas de campo de estela", lo que los llevó a velocidades ultra-relativistas (es decir, cercanas a la velocidad de la luz). Como Donald Umstadter, director del Extreme Light Laboratory, explicó en un comunicado de prensa de Nebraska Today:
“Esta nueva y única aplicación de luz intensa puede mejorar el rendimiento de los aceleradores de electrones compactos. Pero el aspecto científico más novedoso y general de nuestros resultados es que la aplicación de la fuerza de la luz resultó en la aceleración directa de la materia ".
Este nuevo experimento demostró efectivamente la capacidad de controlar la fase inicial de la aceleración de Wakefield, lo que podría mejorar el rendimiento de los aceleradores de electrones compactos. Fue significativo porque tiene numerosas aplicaciones que antes no eran posibles, debido al enorme tamaño de los aceleradores de electrones convencionales.
Una de esas aplicaciones se conoce como "pinzas ópticas", un proceso en el que la luz se utiliza para manipular objetos microscópicos. Otra posible aplicación es el concepto conocido como "vela ligera" (también conocida como célula solar o fotónica), un método de propulsión espacial en el que se usa un rayo láser enfocado para acelerar una vela reflectante a velocidades increíbles.
Un ejemplo de esto es Breakthrough Starshot, una nave espacial propuesta que está siendo desarrollada por Breakthrough Initiatives, una organización sin fines de lucro fundada por el multimillonario ruso Yuri Milner. Consistiendo en una nanocraft remolcada por una vela, esta nave espacial dependería de láseres enfocados para acelerarla a velocidades relativistas (20% de la velocidad de la luz). A esta velocidad, la nave podría hacer el viaje a Alpha Centauri en solo 20 años y podría enviar imágenes de cualquier exoplaneta allí (incluido Proxima b).
Mientras tanto, es probable que este experimento abra algunas oportunidades serias de investigación para los físicos de partículas. El estudio fue dirigido por Grigoroy Golovin, un investigador postdoc del Laboratorio de Luz Extrema (ELL) de la Universidad de Nebraska-Lincoln (UNL), e incluyó a varios científicos de la Universidad ELL y Shanghai Jiao Tong.
