Partikelacceleratorer som används inom modern fysik kan vara flera kilometer långa. Ett alternativ är så kallade laser-plasmaacceleratorer, där extremt starka elektriska fält kan accelerera elektroner över betydligt kortare sträckor.
Tekniken har dock haft ett grundläggande problem: elektronerna blir till slut snabbare än den plasmavåg som accelererar dem och börjar därför ”köra om” den.
Nu har forskare vid University of Rochester visat att problemet kan kringgås med en specialdesignad laserpuls kallad flying focus.
I experimentet fick elektronerna mer än dubbelt så hög energi som den traditionella fysikaliska gränsen för motsvarande acceleratorsträcka.
Plasma kan skapa extremt starka elektriska fält
En vanlig partikelaccelerator använder elektromagnetiska fält för att accelerera laddade partiklar.
Laser-plasmaacceleratorer fungerar annorlunda.
En mycket intensiv och kort laserpuls skickas genom en gas. Lasern sliter loss elektroner från atomerna och skapar ett plasma.
Laserpulsen pressar sedan undan elektroner medan de betydligt tyngre positivt laddade jonerna i stort sett stannar kvar.
Bakom laserpulsen uppstår då ett område med kraftig separation mellan positiva och negativa laddningar.
Det skapar ett enormt elektriskt fält som kan överstiga:
1 GV/cm – en miljard volt per centimeter.
Fältet är flera storleksordningar starkare än vad konventionella radiofrekvensbaserade acceleratorer klarar.
Elektronerna surfar på en plasmavåg
Fenomenet brukar jämföras med kölvattnet efter en båt.
Laserpulsen skapar en så kallad wakefield, en plasmavåg som färdas bakom pulsen.
Elektroner kan fångas i vågen och accelereras framåt.
Problemet uppstår när elektronerna blir extremt energirika.
| Del | Hastighet |
|---|---|
| Accelererade elektroner | Nära ljusets hastighet |
| Plasmavågen | Något långsammare |
| Resultat | Elektronerna kommer ikapp vågen |
Till slut lämnar elektronerna den del av vågen som accelererar dem.
Fenomenet kallas dephasing och sätter en naturlig gräns för hur mycket energi elektronerna kan få.
Flying focus löser problemet
Forskarna använde en teknik kallad dephasingless laser wakefield acceleration (DLWFA).
Nyckeln är en specialdesignad laserpuls med ett så kallat flying focus.
I en vanlig laser rör sig fokuspunkten tillsammans med laserpulsen. Med flying focus kan punkten med högst intensitet däremot konstrueras så att den rör sig med en bestämd hastighet, oberoende av ljusets grupphastighet genom plasmat.
Forskarna kan därmed få den accelererande plasmavågen att röra sig närmare ljusets hastighet.
Elektronerna kan då stanna kvar i den accelererande delen av vågen längre.
Specialspegel skapar den rörliga fokuspunkten
För att skapa effekten använde forskarna en speciell spegel kallad axiparabola.
Till skillnad från en vanlig spegel fokuserar den inte allt ljus till samma punkt.
Ljus som träffar olika delar av spegeln fokuseras i stället på olika avstånd.
Resultatet blir en långsträckt fokusregion där punkten med högst intensitet kan förflyttas framåt genom plasmat.
I experimentet användes dessutom en blandning av väte och argon.
Vätet joniserades relativt enkelt och skapade själva plasmavågen. Argonets hårdare bundna elektroner frigjordes däremot först där laserintensiteten var som högst.
På så sätt kunde nya elektroner injiceras direkt på rätt plats i plasmavågen.
Elektronerna nådde 396 MeV
Forskarna upptäckte att tekniken fungerade inom ett relativt smalt intervall av plasmadensiteter.
Det optimala området låg omkring:
4,5–5,4 × 10¹⁸ partiklar per kubikcentimeter.
Där kunde plasmavågens hastighet komma tillräckligt nära ljusets hastighet för att kraftigt minska problemet med dephasing.
Resultatet blev tydligt.
Elektronerna nådde:
396 ± 14 MeV
Den beräknade maximala energin med en traditionell laser-plasmaaccelerator under samma förhållanden var omkring:
185 MeV
Forskarna lyckades alltså få ut mer än dubbelt så hög elektronenergi över samma accelerationssträcka.
100 GeV på mindre än en meter?
Experimentet är fortfarande ett proof of concept, men beräkningarna visar varför tekniken är intressant.
Dagens laser-plasmaacceleratorer har nått omkring 10 GeV i ett enda accelerationssteg, bland annat genom att använda lägre plasmadensitet.
Problemet är att det samtidigt försvagar det accelererande elektriska fältet.
Att nå omkring 100 GeV med den traditionella strategin skulle därför kunna kräva ungefär tio meter plasma.
Forskarna bakom den nya studien uppskattar att flying focus-tekniken i framtiden skulle kunna nå motsvarande energi över en sträcka på mindre än en meter.
Det skulle innebära ungefär 20 gånger kortare accelerator.
Fortfarande långt från en färdig accelerator
Forskarna betonar att experimentet inte innebär att kilometerlånga partikelacceleratorer snart kan ersättas av maskiner som ryms på ett skrivbord.
Tekniken måste skalas upp samtidigt som kvaliteten på elektronstrålen förbättras.
I framtida experiment vill forskarna bland annat lägga till ytterligare en optisk komponent, en så kallad echelon, för att få ännu bättre kontroll över plasmavågens hastighet.
Men experimentet visar att en av de fundamentala begränsningarna hos laser-plasmaacceleratorer faktiskt går att kringgå.
Om tekniken kan skalas upp kan flying focus därför bli ett viktigt steg mot betydligt mindre partikelacceleratorer – och göra extremt energirika elektronstrålar tillgängliga för fler forskningslaboratorier.
Publikationsuppgifter
C. D. Arrowsmith m.fl., Dephasingless laser wakefield acceleration of electrons using a flying focus, Nature Physics (2026). DOI: 10.1038/s41567-026-03352-x.