Los experimentos con luz láser ‘retorcida’ ofrecen nuevos conocimientos sobre la física del plasma
Andrew Longman alinea el láser COMET en las instalaciones de láser de Júpiter en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore. Los próximos experimentos con el láser COMET a principios de 2023 tienen como objetivo crear algunos de los campos magnéticos estáticos más fuertes jamás generados por un láser.
Los vórtices electromagnéticos ocurren naturalmente en todo el universo y recientemente se han observado en asociación con los agujeros negros. Durante la última década, los científicos han buscado métodos para estudiar cómo los vórtices electromagnéticos extremadamente poderosos interactúan con la materia, particularmente el plasma, en un entorno de laboratorio.
El plasma, conocido como el «cuarto estado de la materia», constituye casi toda la materia observable en el universo y está formado por iones y electrones que se mueven libremente. El uso de láseres de alta intensidad para generar vórtices electromagnéticos se ha mostrado muy prometedor y tiene el potencial de desbloquear nueva física cuando dichos rayos interactúan con el plasma.
Andrés Longman, un Centro de Ciencias de Alta Densidad de Energía (HEDS) becaria postdoctoral para Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL), propone que los espejos de fase en espiral, cuando se incorporen a un sistema láser, permitirán a los científicos «retorcer» la luz láser y generar un vórtice óptico. Un vórtice óptico se describe mejor como un haz con un frente de onda helicoidal, como un remolino pero girando a la velocidad de la luz.
Viaje a Livermore
Mientras cursaba su doctorado. en ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Alberta, Longman hizo una presentación en la Universidad de Rochester sobre el uso de espejos en espiral en sistemas láser de alta potencia. Su trabajo llamó la atención de varios científicos de Lawrence Livermore, incluido David Strozzi, quien animó a Longman a considerar venir al Laboratorio. La propuesta de investigación única de Longman sobre cómo usar estos espejos para «retorcer» la luz láser y crear campos magnéticos extremos, algo que hasta ahora ha sido principalmente teórico, le otorgó un mandato de dos años. camaradería con el centro HEDS del LLNL.
«Lanzamos la beca posdoctoral del Centro HEDS en 2019 con el apoyo del Programa de Diseño y Física de Armas de Integración Compleja y de Armas», dijo la directora adjunta y coordinadora de becas del Centro HEDS, Félicie Albert. “Andrew ejemplifica la calidad de la investigación y el talento del que habla esta beca. El programa brinda a nuestros becarios la oportunidad de realizar su propia investigación original, utilizar recursos de laboratorio e interactuar con otros científicos. al mismo tiempo que beneficia nuestros programas y fortalece la cartera de HEDS, una de nuestras competencias centrales.
Como becario, Longman tuvo la oportunidad de continuar su investigación de posgrado y mejorar el proceso de fabricación de su diseño de espejo en espiral utilizando las capacidades de fabricación óptica únicas del laboratorio con tecnología de acabado magnetorreológico (MRF), una técnica para pulir estructuras topográficas correctivas ultraprecisas. en superficies ópticas.
espejo Espejo en la pared
La tecnología de espejo en espiral utilizada para generar un vórtice óptico es relativamente simple. «Para hacer los espejos de fase en espiral fuera del eje especializados, utilizamos técnicas MRF para imprimir una espiral de longitud de onda profunda (menos de una milésima de milímetro) en la superficie del espejo», explicó Longman. . «A medida que el rayo láser se refleja en el espejo, toma un ‘giro’ y puede transferir ese momento angular a cualquier tipo de objetivo: sólido, gas o plasma». Por lo tanto, permite a los investigadores impulsar ondas de plasma helicoidales y corrientes capaces de generar campos magnéticos muy fuertes, así como atrapar, guiar y acelerar partículas que podrían mejorar las interacciones láser-plasma.
Al investigar métodos para generar vórtices de alta potencia, Longman tuvo que considerar las limitaciones asociadas con la modificación directa de los componentes de una instalación láser determinada. La instalación de espejos especializados ofreció la solución más práctica. En general, el diseño del espejo de Longman demostró ser extremadamente exitoso, generando los vórtices ópticos de mayor intensidad jamás producidos. De hecho, el diseño ya se ha implementado en aproximadamente 10 instalaciones láser en todo el mundo. Longman dijo: «Es una gran sensación ver que algo que he creado se usa tan ampliamente».
Principios humildes
Después de años de investigación, el viaje de Longman en LLNL ha cerrado el círculo. Su primera introducción a LLNL y sus instalaciones se produjo en 2015 y 2016 como estudiante de posgrado cuando ayudó a los científicos de LLNL Art Pak y Tony Link en una serie de experimentos en el Instalación láser de Júpiter (JLF). Ahora, como becario, Longman tendrá la oportunidad de liderar un próximo experimento en JLF, donde usará los espejos en espiral terminados para «agregar un giro» a la plataforma láser COMET de JLF con el objetivo de generar y medir campos magnéticos extremos.
Reflexionando sobre su experiencia en LLNL hasta el momento, Longman admitió que fue difícil comenzar en un nuevo laboratorio en medio de una pandemia. «Durante el primer año de mi beca, no tuve la oportunidad de interactuar regularmente con otros científicos debido a las restricciones de COVID, pero ahora que estoy en el sitio con más frecuencia, puedo involucrarme más y tener conversaciones de calidad con otros científicos sobre su investigación Agregó: «Hay tanto talento bajo un mismo techo y la gente aquí es muy acogedora».
El mentor de Longman, Pierre Michel, dijo: “Andrew llegó al laboratorio con un extraordinario conjunto de habilidades, que van desde experiencia práctica experimental hasta teoría avanzada y técnicas de simulación. Realiza de forma independiente su propio proyecto de investigación mientras colabora con grandes equipos, y aprovecha al máximo los recursos que ofrece el laboratorio, desde la fabricación avanzada hasta la computación a gran escala. Esto lo convierte en un candidato ideal para la beca HEDS y para el laboratorio en general.
– Shelby Conn
