光学火箭将电子提升到几乎光速

内布拉斯加大学林肯分校的一组研究人员最近进行了一项实验，他们能够将等离子体电子加速到接近光速。这种“光学火箭”以比传统火箭产生的力量大万亿亿倍的力量推动电子，可能对从太空旅行到计算和纳米技术的各种事物产生严重影响。

谈到太空探索和科学研究的未来，很明显，光将发挥至关重要的作用。一方面，空间机构正在调查“光通信” - 使用激光发送信息 - 以处理越来越多的数据任务将收集并发送到地球。另一方面，研究人员和工程师正在寻求激光来对物质和光学计算机进行微观操作。

然而，这些应用的主要挑战之一是所涉及的设备的尺寸。它归结为传统的高能激光通常是大而昂贵的。因此，缩小使用光来加速粒子的过程的能力不仅对研究人员来说是一个福音，它还可能导致无数的新应用。

这正是UNL 极光实验室(ELL)的团队使用实验室的Diocles Laser所做的。这种比太阳亮一千万倍的X射线激光器用于将快速激光脉冲聚焦在等离子体电子上 - 这一过程称为尾场加速(或电子加速)。描述他们发现的研究最近出现在物理评论快报中。

通常，光在任何被反射，散射或吸收的地方施加微小的力。虽然力非常小，但当它正确且连续地聚焦时，它可以产生累积效应。在实验过程中，研究小组发现光脉冲会使等离子体中的电子被推出脉冲路径，从而在尾流中产生等离子体波。

电子还从这些“尾场波”中获得了额外的加速度，这使它们达到超相对论速度(即接近光速)。正如极光实验室主任Donald Umstadter在“今日内布拉斯加” 新闻稿中解释的那样：

“强烈光线的这种新的和独特的应用可以改善紧凑型电子加速器的性能。但是我们的结果的新颖和更一般的科学方面是光的施加导致物质的直接加速。“

这个新实验有效地证明了控制尾场加速初始阶段的能力，这可以改善紧凑型电子加速器的性能。由于常规电子加速器的巨大尺寸，它具有以前不可能的许多应用，这是重要的。

一种这样的应用被称为“光学镊子”，其中光被用于操纵微观物体。另一种可能的应用是被称为“轻帆”(又称太阳能或光子单元)的概念，这是一种空间推进方法，其中聚焦激光束用于将反射帆加速到令人难以置信的速度。

其中一个例子就是Breakthrough Starshot，这是一个由Breakthrough Initiatives开发的航天器- 一个由俄罗斯亿万富翁Yuri Milner创立的非盈利组织。这种航天器由一个被瞄准器拖曳的纳米技术组成，它将依靠聚焦激光将其加速到相对论速度(光速的20%)。在这样的速度下，飞行器将能够在短短20年内完成前往半人马座阿尔法星的旅行，并可以发回任何系外行星的图像(包括Proxima b)。

与此同时，这个实验很可能为粒子物理学家开辟一些重要的研究机会。该研究由内布拉斯加大学林肯分校(UNL)极光实验室(ELL)的博士后研究员Grigoroy Golovin领导，其中包括来自ELL和上海交通大学的多位科学家。

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