Το συμπαγές πεντάλ αερίου παράγει δεκάδες δισεκατομμύρια ηλεκτρονικά βολτ ενέργειας αφήνοντας τα ηλεκτρόνια να σερφάρουν στο πέρασμα του λέιζερ

Τα πεντάλ αερίων σωματιδίων έχουν μεγάλες δυνατότητες για εφαρμογές ημιαγωγών, ιατρική απεικόνιση και θεραπεία και υλικά, ενέργεια και ιατρική έρευνα. Αλλά τα παραδοσιακά πεντάλ αερίου απαιτούν μεγάλο χώρο για να λειτουργήσουν, είναι πολύ ακριβά και είναι διαθέσιμα μόνο σε λίγα εθνικά εργαστήρια και πανεπιστήμια. Σύμφωνα με το τελευταίο τεύχος του περιοδικού Matter and Radiation in Extreme Conditions, μια ομάδα ερευνητών, συμπεριλαμβανομένου του Πανεπιστημίου του Τέξας στο Όστιν, έδειξε ένα συμπαγές πεντάλ αερίου μήκους μικρότερο από 20 μέτρα που ονομάζεται Advanced Laser Tail Field Accelerator, το οποίο παράγει ένα δέσμη ηλεκτρονίων με ενέργεια 10 δισεκατομμυρίων ηλεκτρονιοβολτ.
Υπάρχουν επί του παρόντος μόνο δύο πεντάλ αερίου στις ΗΠΑ που μπορούν να φτάσουν σε τόσο υψηλές ενέργειες ηλεκτρονίων, αλλά και τα δύο έχουν μήκος 3 χιλιομέτρων. Τώρα, οι ερευνητές μπορούν να επιτύχουν τόσο υψηλές ενέργειες σε έναν θάλαμο εντός 10 εκατοστών.
Τα πεντάλ αερίου πεδίου αφύπνισης λέιζερ βασίζονται στην αρχή της εκτόξευσης αερίου ηλίου με ένα εξαιρετικά ισχυρό λέιζερ που το θερμαίνει σε πλάσμα και δημιουργεί κύματα που εκτοξεύουν τα ηλεκτρόνια από το αέριο, δημιουργώντας μια δέσμη ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας. Η ιδέα έχει δημοσιευτεί ευρέως από τότε που προτάθηκε το 1979.
Αυτή τη φορά, η βασική πρόοδος της ερευνητικής ομάδας βασίζεται στα νανοσωματίδια. Ένα βοηθητικό λέιζερ χτυπά μια μεταλλική πλάκα μέσα στο θάλαμο αερίου, η οποία εγχέει ένα ρεύμα μεταλλικών νανοσωματιδίων που ενισχύει την ενέργεια που μεταφέρεται από το κύμα στα ηλεκτρόνια.
Το λέιζερ, όπως μια βάρκα που σκαρφαλώνει στην επιφάνεια μιας λίμνης, αφήνει μια αφύπνιση και τα ηλεκτρόνια οδηγούν αυτό το κύμα πλάσματος σαν ένα wake surfer. Οι ερευνητές το συγκρίνουν με τη δυσκολία ενός σέρφερ να μπαίνει σε ένα κύμα ανεξέλεγκτα, οπότε συνήθως ένα μηχανοκίνητο σκάφος θα σύρει τον σέρφερ στο κύμα. Στο νέο πεντάλ αερίου, τα νανοσωματίδια είναι ισοδύναμα ενός μηχανοκίνητου σκάφους, απελευθερώνοντας τα ηλεκτρόνια τους στο σωστό σημείο και τη σωστή στιγμή, ώστε να μπορούν όλα να «σερφάρουν» στο κύμα της ουράς.
Στα πειράματά τους, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ένα από τα πιο ισχυρά παλμικά λέιζερ στον κόσμο, το Texas Tile Laser, το οποίο εκπέμπει έναν εξαιρετικά ισχυρό παλμό φωτός μία φορά την ώρα, αλλά διαρκεί μόνο 150 femtoseconds.
Η ομάδα αυτή τη στιγμή διερευνά τη χρήση του πεντάλ γκαζιού για διάφορους σκοπούς, όπως η δοκιμή της ικανότητας των διαστημικών ηλεκτρονικών να αντέχουν την ακτινοβολία, η φωτογράφιση των τρισδιάστατων εσωτερικών σχεδίων των τσιπ, ακόμη και η ανάπτυξη νέων θεραπειών καρκίνου και προηγμένων τεχνικών ιατρικής απεικόνισης.
Το πεντάλ αερίου θα μπορούσε επίσης να χρησιμοποιηθεί για την τροφοδοσία ενός λέιζερ ελεύθερων ηλεκτρονίων ακτίνων Χ, μια συσκευή που μπορεί να τραβήξει ταινίες αργής κίνησης με γεγονότα ατομικής ή μοριακής κλίμακας, όπως αλληλεπιδράσεις φαρμάκων-κυττάρων, αλλαγές μέσα σε μια μπαταρία που προκαλούν πυρκαγιά για να ξεκινήσετε, χημικές αντιδράσεις μέσα σε ένα ηλιακό πάνελ και τον τρόπο που οι ιικές πρωτεΐνες αλλάζουν σχήμα καθώς μολύνουν ένα κύτταρο.