With the rapid iteration of ultra-intense femtosecond laser technology, laser intensities have entered the relativistic regime (>10¹⁸ W/cm²). En condiciones físicas tan extremas, la materia se ioniza completamente en plasma y los electrones extremadamente livianos pueden ser acelerados directamente por el campo eléctrico del láser-un proceso conocido como aceleración láser directa (DLA). Este proceso sirve como base fundamental para muchos campos de vanguardia, incluidos los aceleradores avanzados, las fuentes de radiación de alta-energía y la ciencia de los attosegundos.
Sin embargo, la tecnología DLA tradicional se enfrenta desde hace tiempo a un desafío fundamental: para su conducción se basa principalmente en la fuerza ponderomotriz longitudinal de los láseres gaussianos. Sin embargo, la fuerza ponderomotriz transversal de un láser gaussiano exhibe una distribución gaussiana, que inevitablemente empuja a los electrones hacia afuera. Esto dificulta gravemente la aceleración estable de los electrones y se ha convertido en un problema de "cuello de botella" en el campo.
Para superar este desafío, el equipo de investigación de SIOM amplió de forma innovadora los campos láser estructurados a experimentos de aceleración de electrones. Utilizaron la exclusiva distribución de intensidad hueca y el momento angular orbital intrínseco de los láseres Laguerre-gaussianos (LG) para manipular electrones con precisión. Los resultados experimentales muestran que los láseres LG con polarización circular- zurdos poseen un campo eléctrico longitudinal único en el eje óptico. Combinado con el efecto de enfoque transversal, esto forma con éxito una estructura de aceleración estable de "burbuja de vacío". Esta estructura es similar a las burbujas de plasma en la aceleración clásica de Wakefield, lo que proporciona un entorno ideal para una aceleración de electrones estable y altamente eficiente.
Este logro no solo llena el vacío en la verificación experimental del DLA relativista LG-impulsado por láser, sino que también mejora significativamente la estabilidad y la colimación del haz de electrones. Además, el gradiente de aceleración en el campo láser LG es directamente proporcional a la intensidad del láser y es independiente del complejo entorno de plasma posterior. Esta característica única abre un camino completamente nuevo para la creación de estructuras de aceleración compactas a escala micrométrica-, lo que podría convertir el concepto de "aceleradores compactos" en una realidad. Con una mayor optimización en el futuro, se espera que esta tecnología se aplique ampliamente en física ultrarrápida, ciencia de materiales e imágenes médicas, impulsando un desarrollo a gran escala en múltiples disciplinas.
