ความก้าวหน้าในการศึกษาปฏิสัมพันธ์ระหว่างเลเซอร์กับสสารเข้มข้น - ผลกระทบความโปร่งใสที่เกิดจากแม่เหล็กไฟฟ้าในฟิสิกส์พลาสมา

การส่งคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (เช่น เลเซอร์) ในพลาสมาเป็นปัญหาพื้นฐานในฟิสิกส์พลาสมา โดยทั่วไป คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าไม่สามารถส่งผ่านพลาสมาที่มีความหนาแน่นมากเกินไปได้ แต่การส่งผ่านและการถ่ายโอนพลังงานมีบทบาทสำคัญในการใช้งาน เช่น เลเซอร์ฟิวชันที่จุดติดไฟเร็ว การเร่งอนุภาคเลเซอร์ และแหล่งกำเนิดรังสีที่สั้นมากเป็นพิเศษและสว่างมากเป็นพิเศษ ในปี 1996 ศาสตราจารย์ SE Harris แห่งมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดได้รับแรงบันดาลใจจากแนวคิดเรื่องความโปร่งใสที่เกิดจากแม่เหล็กไฟฟ้า (EIT) ในฟิสิกส์อะตอม ความโปร่งใสที่เหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า (EIT) ในฟิสิกส์อะตอม ศาสตราจารย์ เอสอี แฮร์ริส ได้เสนอกลไกของความโปร่งใสที่เหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า (EIT) ในพลาสมา กล่าวคือ ด้วยความช่วยเหลือของลำแสงเลเซอร์ความถี่สูง แสงเลเซอร์ความถี่ต่ำ ซึ่งก็คือ เดิมไม่สามารถส่งผ่านได้ แต่สามารถส่งผ่านพลาสมาความหนาแน่นสูงได้ อย่างไรก็ตาม การศึกษาต่อมาแสดงให้เห็นว่า EIT ไม่สามารถเกิดขึ้นในพลาสมาจริงที่มีขอบเขตได้ แต่การศึกษาเหล่านี้จำกัดอยู่ที่ช่วงความเข้มของเลเซอร์สัมพัทธภาพต่ำ
ล่าสุด ทีมวิจัยของนักวิจัย Yutong Li จากสถาบันฟิสิกส์ Chinese Academy of Sciences/National Research Center for Condensed Matter Physics กรุงปักกิ่ง และศาสตราจารย์ Weimin Wang จากภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัย Renmin แห่งประเทศจีน โดยใช้เครื่องมือที่พัฒนาตนเอง โปรแกรมจำลองอนุภาคของ KLAPS พบว่าหลังจากที่เลเซอร์ความถี่ต่ำตกลงไปในพลาสมาในเวลาเดียวกันกับเลเซอร์ความถี่สูงที่มีความเข้มสัมพันธ์กัน เลเซอร์ความถี่ต่ำสามารถทะลุเข้าไปในพลาสมานี้ได้ อย่างไรก็ตาม เมื่อโพลาไรเซชันของลำแสงเลเซอร์ทั้งสองตั้งฉากกัน ปรากฏการณ์การส่งผ่านที่ผิดปกตินี้จะหายไป จึงตัดผลกระทบความโปร่งใสเชิงสัมพัทธภาพทั่วไปออกไป ทีมงานได้พัฒนาแบบจำลองการเชื่อมต่อแบบสามคลื่นที่ความเข้มของแสงเชิงสัมพันธ์ ซึ่งให้ความถี่ผ่านแถบความถี่ที่ EIT เกิดขึ้น ภายใต้ความเข้มแสงเชิงสัมพันธ์ ความกว้างของพาสแบนด์นี้เพียงพอเพื่อให้แน่ใจว่าการส่งผ่านเลเซอร์ความถี่ต่ำมีความเสถียร อย่างไรก็ตาม ภายใต้ความเข้มของแสงสัมพัทธภาพต่ำ แถบความถี่ผ่านจะแคบลงจนถึงจุดแยก ซึ่งยากต่อการรักษา และสิ่งนี้อธิบายว่าทำไมผลกระทบจาก EIT ไม่สามารถเกิดขึ้นได้ภายใต้เงื่อนไขสัมพัทธภาพอ่อนในการศึกษาก่อนหน้านี้ งานนี้แสดงให้เห็นว่าผลกระทบความโปร่งใสที่เกิดจากแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดขึ้นในฟิสิกส์อะตอมก็สามารถเกิดขึ้นได้ในฟิสิกส์พลาสมาเช่นกัน ปรากฏการณ์นี้สามารถนำไปใช้โดยตรงกับการจุดระเบิดด้วยการชนกันของกรวยคู่ (DCI) และเลเซอร์ฟิวชั่นที่จุดระเบิดอย่างรวดเร็ว เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการเชื่อมต่อด้วยเลเซอร์และให้ผลผลิตอิเล็กตรอนที่รวดเร็ว
ผลการวิจัยได้รับการตีพิมพ์เมื่อวันที่ 7 กุมภาพันธ์ พ.ศ. 2567 ใน Physical Review Letters ภายใต้หัวข้อ "Electromagnetically Induced Transparency in the Strongly Relativistic Regime" จดหมายทบทวนทางกายภาพ) Tiehuai Zhang นักศึกษาปริญญาเอกจากสถาบันฟิสิกส์ Chinese Academy of Sciences (IPS) เป็นผู้เขียนบทความคนแรก ในขณะที่ Prof. Weimin Wang จาก Renmin University of China, Yutong Li จาก IPS เป็นผู้เขียนที่เกี่ยวข้อง และนักวิชาการ Jie Zhang เป็นผู้เขียนร่วม หัวข้อของงานวิจัยนี้มาจาก "Novel Laser Fusion Program" ของ Strategic Pilot Project (Class A) ของ Chinese Academy of Sciences ซึ่งนำโดยนักวิชาการ Jie Zhang และได้รับการสนับสนุนจาก National Natural Science Foundation of China และองค์กรอื่นๆ

รูปที่ 1: [(a), (b)] สเปกตรัมความถี่ของสนามเลเซอร์ที่รวบรวมไว้ด้านหลังขอบเขตพลาสมาและ [(c), (d)] วิวัฒนาการของรูปคลื่นของสนามเลเซอร์ที่ถูกกรองตามเวลา โดยที่เส้นโค้งที่แตกต่างกันสอดคล้องกับ อุบัติการณ์ของการผสมสนามสองสี คลื่นที่ถูกสูบล้วนๆ และคลื่นความถี่ต่ำล้วนๆ (e), (f)] วิวัฒนาการของรูปคลื่นของสนามเลเซอร์ที่ถูกกรองพร้อมเวลาสำหรับการผสมสนามสองสีที่ตกกระทบ โดยที่เส้นสีน้ำเงินและสีแดงสอดคล้องกับความขนานของโพลาไรเซชันและตั้งฉากตามลำดับ เส้นบนและล่างสอดคล้องกับการตั้งค่าเริ่มต้นสองค่าคือความหนาแน่นสูงและต่ำตามลำดับ

รูปที่ 2: ความสัมพันธ์การกระจายตัวของสาขาที่โดดเด่นของคลื่น Stokes ที่กำหนดโดยแบบจำลองการวิเคราะห์สำหรับ (a) การตั้งค่าความหนาแน่นสูงเทียบกับ (b) การตั้งค่าความหนาแน่นต่ำ โดยที่ passband ที่กว้างขึ้น (เน้นด้วยสีเหลืองสดใส) จะปรากฏขึ้น (c) ผลการจำลอง PIC หนึ่งมิติสำหรับความเข้มของแสงที่แตกต่างกันหลังจากกำหนดอัตราส่วนของความหนาแน่นของพลาสมาเริ่มต้นต่อความหนาแน่นวิกฤตที่มีประสิทธิผลด้วยตำแหน่งพาสแบนด์ EIT ที่กำหนดโดยแบบจำลอง (d) ผลการจำลอง PIC พร้อมตำแหน่งพาสแบนด์ที่กำหนดโดยแบบจำลองสำหรับความเข้มของแสงที่แตกต่างกันและการตั้งค่าความหนาแน่นที่แตกต่างกัน

รูปที่ 3: วิวัฒนาการของความเข้มของสัญญาณของคลื่น Stokes (เส้นสีน้ำเงิน แกนซ้าย) คลื่น Stokes ผกผัน (เส้นสีดำ แกนซ้าย) และคลื่นปั๊ม (เส้นสีแดง แกนขวา) สัมพันธ์กับตำแหน่งเชิงพื้นที่ โดยมีพลาสมาสม่ำเสมอ กระจายในช่วงเวลา 10 แล 0 < x < 30 แล 0 สำหรับเงื่อนไขเริ่มต้น (แผน (a)-(c) มีความเข้มของแสงเท่ากันและมีความหนาแน่นเริ่มต้นต่างกัน (แผน (d) ให้ผลการจำลองสำหรับกรณีสัมพัทธภาพอ่อน ซึ่งสอดคล้องกับข้อสรุปของการศึกษาก่อนหน้านี้