Um dos tópicos investigados em estudos recentes de física é a eletrodinâmica quântica de campo forte (SF-QED). Até o momento, essa área raramente foi explorada antes, principalmente porque a observação experimental de processos SF-QED exigiria intensidades de luz extremamente altas (> 1025W / cm2), mais de três ordens de magnitude maiores do que as obtidas usando o PetaWatt mais intenso (PW ) – lasers de classe disponíveis hoje.
Um processo SF-QED que provou ser particularmente difícil de observar é o processo de Schwinger. Este é um processo que ocorre próximo ao chamado limite de Schwinger (1029 / cm2), que está associado à quebra óptica do vácuo quântico e à produção de plasmas prolíficos de pares elétron / pósitron.
Para observar o processo de Schwinger, bem como outros processos SF-QED, os físicos precisariam ser capazes de atingir intensidades de luz acima de 1025 W / cm2 e até 1029 / cm2. Uma maneira possível de produzir esses fortes campos de luz seria refletir os pulsos de laser de alta potência em um espelho relativístico curvo, espelhos em plasmas que consistem em finas camadas de elétrons densas aceleradas por ondas eletromagnéticas de alta intensidade.
Pesquisadores do Laboratório de Dinâmica e Interações de Lasers (LIDYL) da Comissão Francesa de Energia Atômica (CEA) provaram recentemente que esses espelhos relativísticos curvos podem ser produzidos quando um pulso de laser muito intenso ioniza um alvo sólido e cria um plasma denso que reflete a luz incidente . Seu artigo, publicado na Nature Physics, pode ter implicações importantes para pesquisas futuras destinadas a observar processos SF-QED.
“Recentemente, nosso grupo propôs uma nova maneira de aumentar significativamente as intensidades dos atuais lasers de alta potência em mais de três ordens de magnitude, usando notáveis elementos ópticos chamados ‘espelhos de plasma relativísticos'”, disse Henri Vincenti, um dos pesquisadores que realizaram o estudo, disse Phys.org. “Esses espelhos podem ser obtidos focalizando um laser de alta potência em um alvo inicialmente sólido e opticamente plano.”
Essencialmente, Vincenti e seus colegas teorizaram que quando um laser de alta potência é focado em um alvo inicialmente sólido e opticamente plano, ele cria um plasma denso no foco do laser. Este plasma pode refletir especularmente a luz incidente.
“Após a reflexão neste ‘espelho de plasma’, o campo elétrico do laser faz sua superfície oscilar em velocidades relativísticas, formando assim o que chamamos de espelho oscilante relativístico (ROM)”, disse Vincenti. “Esta ROM comprime periodicamente a luz refletida em turnos por meio do chamado efeito Doppler. Essa compressão periódica produz uma seqüência de pulsos de luz subfemtossegundos ou attossegundos, associados a um espectro harmônico Doppler no domínio da frequência.”
Além dessa ‘compressão temporal’, o feixe de laser incidente induz uma pressão de radiação espacialmente não homogênea na superfície do espelho de plasma, onde a intensidade do laser é maior no centro do ponto focal do laser do que nas bordas. Essa pressão de radiação, em última análise, curva a superfície do espelho de plasma. Esta observação pode, assim, abrir novas possibilidades para a exploração de processos SF-QED em experimentos com tecnologia laser.
“O objetivo principal de nosso trabalho recente foi mostrar que a ROM curvada pela pressão de radiação pode comprimir temporariamente um laser de alta potência e focar o conteúdo harmônico alterado para Doppler com excelente qualidade óptica”, disse Vincenti. “Para conseguir isso, propomos uma nova técnica de medição para caracterizar completamente o perfil espaço-temporal da luz refletida de um espelho de plasma em experimentos.”
O objetivo inicial do estudo recente de Quéré, Vincenti e seus colegas era caracterizar as propriedades espaço-temporais de fontes de luz de espelho de plasma, para permitir seu uso em experimentos. A caracterização dessas propriedades permitiria, por exemplo, aos pesquisadores focar fontes de luz de espelho de plasma em amostras de matéria para alcançar regimes dominados por SF-QED ou usá-los para realizar experimentos com bomba de attossegundo e dinâmicas de elétrons em átomos. Além disso, os pesquisadores esperavam que seu trabalho possibilitasse a comparação de medidas coletadas em experimentos anteriores com modelos teóricos e numéricos existentes de fontes de espelho de plasma.
“Até agora, as técnicas de medição só eram capazes de recuperar informações temporais ou espaciais, mas não as duas simultaneamente”, disse Vincenti. “Para informações espaciais, uma técnica comum usada é chamada de ‘pticografia’ e permite uma caracterização espacial completa de uma fonte de luz em diferentes comprimentos de onda.”
A pticografia permite que os pesquisadores alcancem uma caracterização espacial completa das fontes de luz, colocando um objeto no campo próximo digitalizado por meio de um feixe de luz em diferentes posições em um determinado plano. Ao examinar a evolução do padrão de difração no campo distante, em função da posição do objeto no plano, potencialmente usando um algoritmo de recuperação de fase, os pesquisadores podem recuperar a amplitude espacial e a fase do objeto e da fonte de luz.
Embora muitos físicos tenham usado a pticografia no passado, essa técnica normalmente não permite que os pesquisadores recuperem informações temporais, pois o objeto colocado no campo próximo é fixo. Quéré, Vincenti e seus colegas desenvolveram uma técnica alternativa que permitiria aos físicos também recuperar informações temporais sobre o objeto e a fonte de luz. Essa técnica envolve a criação de um objeto tipicográfico que pode se mover na escala de attossegundos de tempo, permitindo a recuperação de informações espaciais e temporais.
“Este objeto pode ser obtido usando um segundo feixe de luz de frequência 2 ômega (ômega sendo a frequência do pulso de laser principal) focado em um ângulo em relação ao feixe de laser principal”, disse Quéré. “Ao escanear o atraso entre os dois feixes, pode-se mudar a posição do objeto em relação ao tempo de emissão dos pulsos de attossegundos sucessivos emitidos pelo espelho de plasma. Um algoritmo de recuperação de fase pode então ser obtido para recuperar o total espaço-temporal perfil da luz refletida pelo espelho de plasma. ”
Usando a técnica que desenvolveram, chamada de ‘pticografia dinâmica’, Quéré e seus colegas foram capazes de recuperar a amplitude espaço-temporal e o perfil de fase de pulsos de attossegundos emitidos por espelhos de plasma em intensidades moderadas e ultra-altas.
Em última análise, a técnica proposta por esta equipe de pesquisadores poderia auxiliar na busca por altas intensidades de luz usando espelhos de plasma. Por exemplo, poderia ajudar os físicos a estimar a intensidade que pode ser alcançada usando espelhos de plasma com altos níveis de precisão, ao mesmo tempo que lhes permite correlacionar essas medições com os processos SF-QED observados em experimentos anteriores (por exemplo, pares de elétron / pósitron, raios gama, etc.).
“Até agora, aplicamos com sucesso a pticografia dinâmica a lasers da classe 100TeraWatt”, disse Vincenti. “O próximo marco importante será implementá-lo em instalações de laser de classe PW, nas quais se espera que o aumento de intensidade por espelhos de plasma relativísticos seja muito maior.”
Publicado em 22/07/2021 11h14
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