Лазерното ускоряване на йоните използва интензивни лазерни импулси, които загряват електроните на твърдото тяло до огромни температури и ги ускоряват до екстремни скорости. Днес те се използват в медицинските устройства за унищожаване на раковите клетки, в обработката на полупроводниците и във визуализирането. За облъчването на твърдите тела обаче са необходими масивни и мощни лазерни системи. Индийски учени са намерили начин да използват предимствата на лазерните импулси за постигане на по-добри резултати. Те са разработили метод за генериране на протони с енергии от няколко MeV с помощта на лазерни импулси със слаб интензитет.

За нагряване и ускоряване на електроните в твърди тела са необходими мощни системи за интензивно лазерно ускоряване на йоните. Тези лазерни устройства обикновено могат да генерират най-много няколко импулса в секунда, в противен случай се стига до прегряване и повреда на лазерните компоненти. Поради това лазерните йонни ускорители се използват само в големите експериментални съоръжения, което ограничава приложението им в практиката. В университетските лаборатории могат да се намерят малки, но много по-малко продуктивни лазери, пише EurekAlert.

Учени от Института за фундаментални изследвания в Хайдерабад са преодолели тази разлика в размера и мощността, като са разработили лазери с мощност няколко милиджаула, способни да генерират мегаволтови протони чрез импулси с честота хиляда пъти в секунда. За да постигнат това, те са използвали добре познатия недостатък на лазерните схеми за ускоряване на йоните – така наречените предварителни импулси. Това са малки изблици на лазерна енергия, които предшестват интензивния лазерен импулс. Те се появяват в лазерните системи поради различни дефекти.

Процесът на йонното ускорение се основава на предпоставката, че един интензивен лазерен импулс нагрява мишената. Предварителните импулси обаче променят преждевременно твърдата повърхност, като често дори разрушават наличните върху нея деликатни елементи. За потискане на предварителните импулси често се използва допълнително оборудване, което увеличава сложността и ограничава мащабируемостта на цялата система.

Вместо да премахват предварителните импулси, учените са измислили как да използват техните характеристики.

Експериментът показа, че предварителният импулс образува кухина в течна микроскопична капка, създавайки плазма с ниска плътност. На такава благодатна почва лазерните импулси възбуждат двойка гигантски вълни в плазмата. Тези вълни са склонни да се свиват бързо, докато се движат, освобождавайки взривове от електрони. Електроните в крайна сметка са отговорни за ефективното ускоряване на протоните до стотици киловолти. Работейки с честоти скорости от хиляди пъти в секунда и използвайки лазерни импулси с милиджаулови енергии, този подход осигурява много ефективно ускоряване на йоните.

Новият метод, който не изисква екстремна интензивност на лазера или потискане на предварителните импулси, проправя пътя за настолни високочестотни лазерни ускорители на йони в университетските лаборатории.