Фізики з Китаю і США вперше реалізували в експерименті метод отримання високоенергетичних електронних пучків з плазми, заснований на використанні двох когерентних лазерних імпульсів, спрямованих під кутом один до одного. За рахунок інтерференції електромагнітних хвиль і пондеромоторного дрейфу електрони спочатку захоплюються з плазми, а потім прискорюються, утворюючи пучок з енергією до 300 мегаелектронвольт. Такий підхід автори назвали «оптичною ракетою» і пропонують використовувати його для удосконалення сучасних установок для прискорення електронів, а також для вивчення взаємодії електромагнітних хвиль у плазмі, повідомляють вчені в.
Оскільки всі частинки в плазмі знаходяться в іонізованому стані, то її властивості визначаються в першу чергу колективними електромагнітними взаємодіями. Наприклад, електродинамічні властивості плазми визначаються наявністю електромагнітних хвиль, які можуть по ній поширюватися. Один із способів отримання цих хвиль в лабораторних умовах - опромінення плазми високоенергетичними лазерними імпульсами або прискореними зарядженими частинками. Саме такий підхід фізики пропонують використовувати, зокрема, для кільватерного прискорення електронів: при одночасному збудженні електромагнітної хвилі в плазмі та опроміненні її електронним пучком, електрони з пучка захоплюються хвилею і прискорюються до енергії порядку гігаелектронвольту.
Група фізиків з США і Китаю під керівництвом Дональда Умстадтера (Donald Umstadter) з Університету Небраски-Лінкольна показала, що ті ж явища, які застосовують для прискорення електронів, можна використовувати і для захоплення електрона безпосередньо з плазми і генерації високоенергетичних електронних пучків. Для цього вчені використовували ефекти, теоретично описані більше двадцяти років тому, - пондеромоторний дрейф (рух заряджених частинок в неоднорідному осцилюючому електромагнітному полі) і інтерференцію декількох електромагнітних хвиль в плазмі. Основна ідея запропонованого експерименту полягала в тому, що плазма опромінювалася не одним, а одночасно двома дуже потужними когерентними лазерними імпульсами, які фокусувалися в заданій точці і були спрямовані під кутом один до одного. При цьому залежно від різниці фаз і щільності плазми електрони з більшою або меншою ймовірністю притягувалися і прискорювалися електромагнітною хвилею.
В експерименті фізики використовували фемтосекундні лазерні імпульси інтенсивністю понад 1020 ватт на квадратний сантиметр, з довжиною хвилі 800 нанометрів і тривалістю близько 30-40 фемтосекунд. Кут між двома пучками з горизонтальною поляризацією становив 155 градусів, в результаті чого після інтерференції виникав дуже сильний градієнт інтенсивності хвилі, що і призводило до захоплення електронів. Вчені варіювали тимчасову затримку між двома імпульсами і виявили, що залежно від того, який з імпульсів йде раніше (сонаправлений з електронним пучком - в який «засмоктуються» ті електрони з плазми, які потім досліджуються на виході, або другий - інжекторний - імпульс), залежить кількість захоплених з плазми електронів і їх енергія після прискорення.
Виявилося, що при взаємодії з обома електромагнітними хвилями, електрони захоплюються хвилею в три етапи під дією градієнта інтенсивності і пондеромоторних сил з боку кожної з хвиль. При цьому якщо першою йде хвиля, сонаправлена з електронним пучком, який утворюється, то при захопленні електронів домінує ефект інтерференції хвиль, а в тому випадку, коли раніше виявляється інжекторна хвиля - позначаються обидва ефекти: і інтерференція, і пондеромоторний дрейф. На виході утворюються електронні пучки з енергією понад 300 мегаелектронвольт і зарядом до декількох пікокулонів - обидві величини майже на два порядку більше, ніж при використанні єдиної хвилі.
Результати експерименту фізики підтвердили і більш детально досліджували і за допомогою чисельного моделювання. За словами вчених, експериментальна реалізація подібного механізму захоплення електронів за допомогою двох високоенергетичних лазерних імпульсів у майбутньому може бути використана для удосконалення сучасних компактних установок для прискорення електронів, а також для вивчення динаміки хвиль у плазмі. Крім того, автори роботи називають описаний ними ефект «оптичною ракетою» - використовуючи тільки світлові імпульси їм вдалося отримати пучок масивних частинок зі швидкістю, близькою до швидкості світла.
Кільватерне прискорення електронів за допомогою плазми цікаво в першу чергу тим, що за допомогою такого підходу можна розганяти електрони в дуже компактних установках. Наприклад, саме за допомогою кільватерного прискорення фізикам ЦЕРНу нещодавно вдалося розігнати електрони до енергії в 2 гігаелектронвольти в установці довжиною всього 10 метрів, що приблизно в два рази перевершує аналогічний показник для прискорювачів на радіочастотних надпровідних резонаторах.