Electron Injection and Beam Dynamics in a Laser Wakefield Acceleration Driven by Laser Pulses Carrying Orbital Angular Momentum
यह शोध पत्र प्रयोगात्मक रूप से प्रदर्शित करता है कि ऑर्बिटल एंगुलर मोमेंटम (OAM) लेजर पल्स द्वारा संचालित लेजर वेकफील्ड त्वरण, विशिष्ट ब्रॉड-बैंड ऊर्जा स्पेक्ट्रा और कोणीय रूप से संरचित फेज स्पेस वाले इलेक्ट्रॉन बीम उत्पन्न करता है, जो यह प्रकट करता है कि लेजर की फेज संरचना कॉम्पैक्ट प्लाज्मा त्वरकों में इंजेक्शन डायनेमिक्स और बीम शेपिंग को प्रभावी ढंग से नियंत्रित कर सकती है।
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छोटे और अधिक शक्तिशाली कण त्वरकों (particle accelerators) के निर्माण की खोज में, वैज्ञानिक लेजर वेकफील्ड एक्सेलेरेशन (laser wakefield acceleration) नामक एक तकनीक की ओर मुड़े हैं। कल्पना कीजिए कि एक नाव झील के ऊपर से तेजी से गुजर रही है; वह अपने पीछे लहरों की एक लकीर छोड़ जाती है। यदि कोई सर्फर बिल्कुल सही समय पर उस लहर को पकड़ लेता है, तो उसे अविश्वसनीय गति से आगे बढ़ाया जा सकता है। इसी तरह, शोधकर्ता गैस के एक बादल में लेजर प्रकाश के अत्यंत लघु, तीव्र स्पंद (pulses) छोड़ते हैं, जिससे प्लाज्मा का निर्माण होता है। लेजर स्पंद गैस में आवेशित कणों को एक तरफ धकेल देता है, जिससे विद्युत क्षेत्रों की एक 'वेक' (wake) या लहर बन जाती है जो इलेक्ट्रॉनों को केवल कुछ सेंटीमीटर की दूरी में प्रकाश की गति के करीब तक त्वरित कर सकती है। दशकों से, वैज्ञानिक इस बात को नियंत्रित करने का प्रयास कर रहे हैं कि इन इलेक्ट्रॉनों को ठीक कैसे पकड़ा और त्वरित किया जाता है, जिसके लिए वे बेहतर परिणाम प्राप्त करने हेतु लेजर की चमक या गैस के घनत्व में बदलाव करते रहे हैं। हालाँकि, लेजर बीम का एक पहलू काफी हद तक अनछुआ रहा है: उसका आकार और उसके प्रकाश के घूमने का तरीका।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने हाल ही में प्रदर्शित किया कि लेजर बीम को स्वयं घुमाकर, वे मौलिक रूप से इलेक्ट्रॉन बीम के व्यवहार को बदल सकते हैं। उन्होंने लेजर के एक विशेष प्रकार के स्पंद का उपयोग किया जिसमें कक्षीय कोणीय संवेग (orbital angular momentum) होता है, जिसका अर्थ है कि प्रकाश की तरंगें बीम के केंद्र के चारों ओर एक कॉर्कस्क्रू (corkscrew) की तरह घूमती हैं। जब यह सर्पिल प्रकाश प्लाज्मा से टकराता है, तो यह एक मानक लेजर की तरह एक साधारण, गोल खाली स्थान का बुलबुला नहीं बनाता है। इसके बजाय, यह एक वलय (ring) के आकार की वेक बनाता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह वलय पूरी तरह से स्थिर नहीं है; यह दो विशिष्ट, चमकीले धब्बों के रूप में विकसित होता है जो लेजर स्पंद के आगे बढ़ने के साथ घूमते हैं। ये घूमते हुए धब्बे प्रवेश के पसंदीदा बिंदु के रूप में कार्य करते हैं, जो इलेक्ट्रॉनों को वलय के चारों ओर दो अलग-अलग स्थानों पर त्वरण की प्रक्रिया में खींच लेते हैं।
यह प्रयोग मिशिगन विश्वविद्यालय के ज़्यूस (ZEUS) लेजर सुविधा में आयोजित किया गया था। टीम ने हीलियम और नाइट्रोजन गैस की जेट में 126.87 टेरावाट की पीक पावर वाले लेजर स्पंद छोड़े। उन्होंने एक मानक, गोल लेजर बीम के परिणामों की तुलना अपने नए, सर्पिल बीम से की। जब उन्होंने मानक बीम का उपयोग किया, तो बनने वाली इलेक्ट्रॉनों की धारा एक एकल, सघन समूह के रूप में सीधे आगे बढ़ी। लेकिन जब उन्होंने सर्पिल बीम का उपयोग किया, तो इलेक्ट्रॉन की धारा दो अलग-अलग बीमों में विभाजित हो गई। ये दो बीम केवल थोड़े अलग नहीं थे; वे स्थान में स्पष्ट रूप से अलग थे, जो केंद्र से लगभग 20 से 40 मिलीरेडियन के कोण पर यात्रा कर रहे थे। इसके अलावा, ये बीम जिस कोण पर अलग हुए, वह इलेक्ट्रॉनों की ऊर्जा पर निर्भर करता था, जिससे एक विशिष्ट पैटर्न बना जिसे शोधकर्ताओं द्वारा मापा और मैप किया जा सका।
यह समझने के लिए कि ऐसा क्यों हुआ, वैज्ञानिकों ने विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन चलाए जिन्होंने लेजर और प्लाज्मा के बीच की परस्पर क्रिया का मॉडल तैयार किया। इन सिमुलेशन ने पुष्टि की कि लेजर स्पंद के सर्पिल आकार के कारण प्लाज्मा वेक मुड़ गया और घूमने लगा। जैसे ही वेक घूमा, उसने इलेक्ट्रॉनों को वलय के दो विशिष्ट बिंदुओं पर फँसा लिया, जिससे कणों के दो अलग-अलग समूह बन गए। सिमुलेशन ने यह भी दिखाया कि इन इलेक्ट्रॉन समूहों के घूमने की दिशा, लेजर के घुमाव की दिशा पर निर्भर करती थी। यदि लेजर एक दिशा में घूमता था, तो इलेक्ट्रॉन दक्षिणावर्त (clockwise) पथ का अनुसरण करते थे; यदि लेकर दूसरी दिशा में घूमता था, तो इलेक्ट्रॉन वामावर्त (counter-clockwise) पथ का अनुसरण करते थे। इससे सिद्ध हुआ कि लेजर न केवल इलेक्ट्रॉनों को आगे धकेल रहा था, बल्कि उन्हें एक स्पिन भी दे रहा था, जिससे वह अपने स्वयं के कोणीय संवेग को त्वरित कणों में स्थानांतरित कर रहा था।
शोधकर्ता अन्य संभावनाओं को खारिज करने के लिए भी सावधान रहे। उन्होंने दिखाया कि यह विभाजन प्रभाव यादृच्छिक अस्थिरता या केवल एक सरल वलय आकार के कारण नहीं था। जब उन्होंने बिना सर्पिल घुमाव वाले रिंग-आकार के लेजर के साथ सिमुलेशन चलाया, तो इलेक्ट्रॉन बीम विभाजित नहीं हुआ। इसने पुष्टि की कि सर्पिल प्रकाश की अद्वितीय चरण संरचना (phase structure) ही मुख्य चालक थी। यह अध्ययन सुझाव देता है कि लेजर स्पंद के आकार को नियंत्रित करके, वैज्ञानिक अब उन इलेक्ट्रॉन बीमों की संरचना को सक्रिय रूप से डिजाइन कर सकते हैं जिन्हें वे बनाते हैं। केवल एक एकल, सीधी कण धारा उत्पन्न करने के बजाय, वे जटिल, अनुकूलित आकारों वाली बीम उत्पन्न कर सकते हैं। यह खोज कण त्वरण को नियंत्रित करने के लिए एक नया मार्ग खोलती है, जो भविष्य के वैज्ञानिक अनुसंधान के लिए अधिक सघन और बहुमुखी मशीनों की ओर ले जा सकती है।
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