With the rapid iteration of ultra-intense femtosecond laser technology, laser intensities have entered the relativistic regime (>1018 W/cm2). Κάτω από τέτοιες ακραίες φυσικές συνθήκες, η ύλη ιονίζεται πλήρως στο πλάσμα και τα εξαιρετικά ελαφριά ηλεκτρόνια μπορούν να επιταχυνθούν άμεσα από το ηλεκτρικό πεδίο του λέιζερ-μια διαδικασία γνωστή ως Άμεση Επιτάχυνση Λέιζερ (DLA). Αυτή η διαδικασία χρησιμεύει ως η θεμελιώδης βάση για πολλά συνοριακά πεδία, συμπεριλαμβανομένων των προηγμένων επιταχυντών, των πηγών ακτινοβολίας υψηλής{4}ενέργειας και της επιστήμης attosecond.
Ωστόσο, η παραδοσιακή τεχνολογία DLA μαστίζεται εδώ και καιρό από μια βασική πρόκληση: βασίζεται κυρίως στη διαμήκη κινητική δύναμη των λέιζερ Gauss για την οδήγηση. Ωστόσο, η εγκάρσια κινητήρια δύναμη ενός λέιζερ Gauss παρουσιάζει μια Gaussian κατανομή, η οποία αναπόφευκτα ωθεί τα ηλεκτρόνια προς τα έξω. Αυτό εμποδίζει σοβαρά τη σταθερή επιτάχυνση των ηλεκτρονίων και έχει γίνει πρόβλημα «συμφόρησης» στο πεδίο.
Για να ξεπεράσει αυτή την πρόκληση, η ερευνητική ομάδα SIOM επέκτεινε καινοτόμα δομημένα πεδία λέιζερ σε πειράματα επιτάχυνσης ηλεκτρονίων. Χρησιμοποίησαν τη μοναδική κατανομή κοίλης έντασης και την εγγενή τροχιακή γωνιακή ορμή των λέιζερ Laguerre-Gaussian (LG) για να χειριστούν με ακρίβεια τα ηλεκτρόνια. Τα πειραματικά αποτελέσματα δείχνουν ότι τα αριστερό-κυκλικά πολωμένα λέιζερ LG διαθέτουν ένα μοναδικό διαμήκη ηλεκτρικό πεδίο στον οπτικό άξονα. Σε συνδυασμό με το εφέ εγκάρσιας εστίασης, αυτό σχηματίζει με επιτυχία μια σταθερή δομή επιτάχυνσης "φυσαλίδας κενού". Αυτή η δομή είναι παρόμοια με τις φυσαλίδες πλάσματος στην κλασική επιτάχυνση wakefield, παρέχοντας ένα ιδανικό περιβάλλον για σταθερή και εξαιρετικά αποδοτική επιτάχυνση ηλεκτρονίων.
Αυτό το επίτευγμα όχι μόνο καλύπτει το κενό στην πειραματική επαλήθευση του σχετικιστικού λέιζερ LG-DLA αλλά επίσης ενισχύει σημαντικά τη σταθερότητα και την ευθυγράμμιση της δέσμης ηλεκτρονίων. Επιπλέον, η κλίση επιτάχυνσης στο πεδίο λέιζερ LG είναι ευθέως ανάλογη με την ένταση του λέιζερ και είναι ανεξάρτητη από το επακόλουθο σύνθετο περιβάλλον πλάσματος. Αυτό το μοναδικό χαρακτηριστικό ανοίγει μια εντελώς νέα διαδρομή για τη δημιουργία μικρομετρικών δομών συμπαγούς επιτάχυνσης-κλίμακας, μετατρέποντας δυνητικά την ιδέα των "συμπαγών επιταχυντών" σε πραγματικότητα. Με περαιτέρω βελτιστοποίηση στο μέλλον, αυτή η τεχνολογία αναμένεται να εφαρμοστεί ευρέως στην υπερταχεία φυσική, την επιστήμη των υλικών και την ιατρική απεικόνιση, οδηγώντας την ανάπτυξη αλμάτων σε πολλούς κλάδους.
