With the rapid iteration of ultra-intense femtosecond laser technology, laser intensities have entered the relativistic regime (>10¹⁸ W/cm2). Trong những điều kiện vật lý khắc nghiệt như vậy, vật chất bị ion hóa hoàn toàn thành plasma và các electron cực nhẹ có thể được gia tốc trực tiếp bằng điện trường của tia laser-một quá trình được gọi là Gia tốc laser trực tiếp (DLA). Quá trình này đóng vai trò là cơ sở cơ bản cho nhiều lĩnh vực tiên tiến, bao gồm máy gia tốc tiên tiến, nguồn bức xạ năng lượng cao-và khoa học atto giây.
Tuy nhiên, công nghệ DLA truyền thống từ lâu đã gặp phải một thách thức cốt lõi: nó chủ yếu dựa vào lực phản chuyển theo chiều dọc của tia laser Gaussian để truyền động. Tuy nhiên, lực phản lực ngang của laser Gaussian thể hiện sự phân bố Gaussian, chắc chắn sẽ đẩy các electron ra bên ngoài. Điều này cản trở nghiêm trọng việc gia tốc electron ổn định và đã trở thành một vấn đề “nút cổ chai” trong lĩnh vực này.
Để vượt qua thách thức này, nhóm nghiên cứu SIOM đã mở rộng một cách sáng tạo các trường laser có cấu trúc thành các thí nghiệm gia tốc điện tử. Họ đã sử dụng sự phân bố cường độ rỗng độc đáo và động lượng góc quỹ đạo nội tại của laser Laguerre-Gaussian (LG) để điều khiển chính xác các electron. Kết quả thử nghiệm cho thấy rằng tia laser LG phân cực tròn thuận tay trái sở hữu một điện trường dọc duy nhất trên trục quang. Kết hợp với hiệu ứng lấy nét ngang, điều này tạo thành thành công cấu trúc tăng tốc "bong bóng chân không" ổn định. Cấu trúc này tương tự như bong bóng plasma trong gia tốc trường đánh thức cổ điển, cung cấp môi trường lý tưởng để tăng tốc điện tử ổn định và hiệu quả cao.
Thành tựu này không chỉ lấp đầy khoảng trống trong quá trình xác minh thử nghiệm DLA điều khiển bằng laser LG tương đối tính-mà còn tăng cường đáng kể độ ổn định và sự chuẩn trực của chùm tia điện tử. Hơn nữa, độ dốc gia tốc trong trường laser LG tỷ lệ thuận với cường độ laser và không phụ thuộc vào môi trường plasma phức tạp tiếp theo. Đặc điểm độc đáo này mở ra một hướng đi hoàn toàn mới để tạo ra các cấu trúc gia tốc nhỏ gọn ở quy mô micromet-, có khả năng biến khái niệm "máy gia tốc nhỏ gọn" thành hiện thực. Với sự tối ưu hóa hơn nữa trong tương lai, công nghệ này dự kiến sẽ được áp dụng rộng rãi trong vật lý cực nhanh, khoa học vật liệu và hình ảnh y tế, thúc đẩy sự phát triển nhảy vọt trên nhiều lĩnh vực.
