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Guiado de haces de electrones relativistas por campos magnetostáticos generados por láser

09 Abr 2018

El transporte eficiente de energía en materia densa mediante haces de electrones relativistas generados por láser es crucial en muchas aplicaciones tales como el estudio de la materia densa a temperaturas moderadas (warm dense matter), la fusión de confinamiento inercial y la aceleración de iones por láseres ultra-intensos. Un trabajo reciente, que ha contado con la participación del usuario de la RES Javier Honrubia (ETSIAE-UPM), demuestra que los haces de electrones relativistas generados por laser transportan eficientemente su energía en plasmas densos cuando se impone externamente un campo magnético intenso. El trabajo, publicado en la revista Nature Communications el 9 de enero de 2018, es el resultado de una colaboración internacional que incluye a investigadores de la Universidad de Burdeos, la Universidad de Osaka, la Universidad Politécnica de Madrid, la Ecole Polytechnique, la Universidad de Oxford, la Universidad de York y la Universidad Técnica de Darmstadt.

El experimento utiliza una nueva técnica basada completamente en la interacción láser-plasma para producir pulsos magnéticos extremadamente intensos (mayores de 500 Tesla). Esta técnica ha sido desarrollada recientemente por el consorcio de investigación mencionado y se ha aplicado con éxito para demostrar por primera vez la mejora en un factor 5 del flujo de energía transmitido en el interior de materia sólida por haces de electrones relativistas generados por láser. El transporte de energía eficiente en materia densa es un reto para la investigación en muchas áreas, tales como: 1) la materia en condiciones extremas, similares a las que se encuentran en las estrellas o en el interior de los planetas, 2) el control de las reacciones de fusión termonuclear a escala de laboratorio, y 3) el desarrollo de fuentes optimizadas de partículas de alta energía y radiación para aplicaciones científicas, industriales y médicas. El experimento descrito en el artículo es la primera evidencia de que es posible en un tiempo tan breve como un nanosegundo producir un campo magnético intenso, difundirlo dentro del blanco y propagar un haz intenso de electrones a través del material magnetizado. El éxito de ese experimento es una condición necesaria para muchos futuros estudios de materia magnetizada de alta densidad de energía y también una demostración de que es posible generar flujos de energía de ultra-alta intensidad en el interior de materia densa.

Simulaciones de todos los procesos físicos involucrados en el experimento, desde la difusión del campo magnético en el blanco hasta el transporte tridimensional de los electrones relativistas en el blanco magnetizado, se llevaron a cabo mediante programas de cálculo desarrollados en la Universidad Politécnica de Madrid. Los superordenadores de alto rendimiento Marenostrum4 y Magerit de la Red Española de Supercomputación fueron cruciales para llevar a cabo las simulaciones, las cuales permitieron una interpretación completa y sin ambigüedades del experimento.

Referencia:

Guiding of relativistic electron beams in dense matter by laser-driven magnetostatic fields. M. Bailly-Grandvaux, J. J. Santos et al. (2018) Nature Communicationsvolume 9, Article number: 102. DOI:10.1038/s41467-017-02641-7