Plasma Light Sources: A Spatiotemporal Analysis

As fontes de raios X mais avançadas, tais como os lasers de electrões livres e os sincrotrões, permitem sondar e obter imagens de processos ultra-rápidos que ocorrem às mais ínfimas escalas atómicas e moleculares. Estas fontes são dispositivos de grandes dimensões, normalmente da ordem de alguns quilómetros. Recentemente, têm sido feitos esforços para desenvolver soluções mais pequenas e económicas, maioritaraimente baseadas em feixe-plasma. Nesta tese, exploramos as fontes de radiação baseadas em plasma usando teoria e simulações Particle-In-Cell, baseando-nos nas possibilidades abertas pela recente descoberta da Superradiância Generalizada para propor novos métodos de geração de impulsos de radiação intensos, ultra-curtos e de alta frequência.

Nomeadamente, investigámos a radiação proveniente de partículas que atravessam campos evanescentes. Estes modos de superfície são comuns em experiências de interação laser-plasma. Tirámos partido da localização espacial extrema das ondas evanescentes para gerar raios-X dirigidos e demonstrámos que os electrões com g ' 10100 que atravessam uma onda evanescente podem produzir radiação KeV-MeV. Além disso, mostrámos que a posição de intersecção entre o feixe de electrões e a onda evanescente pode atuar como uma partícula virtual. Nas condições certas, esta partícula virtual pode ser superluminosa e produzir um choque ótico superradiante.

Além disso, explorámos a radiação coerente de betatrões através de superradiância generalizada. Onde uma manipulação espácio-temporal do feixe de partículas aceleradas pode levar à emissão superradiante. Mostrámos que um feixe de partículas com uma modulação sinusoidal com uma velocidade de fase superluminal pode produzir choques ópticos ao longo do ângulo de Cherenkov associado à velocidade de fase da modulação. Estes choques ópticos conduzem a impulsos ultra-curtos de nível de attossegundo cuja intensidade cresce quadraticamente com o número de partículas no feixe, independentemente da distância entre as partículas.

Durante a realização desta tese, baseámo-nos fortemente no RaDiO e introduzimos várias melhorias neste código. Uma das mais importantes foi acompatibilidade com GPU utilizando a linguagem de programação CUDA. Utilizando uma única placa de GPU, conseguimos cálculos de radiação quase instantâneos em milhões de células espaciais, um feito que anteriormente só era possível quando se utilizavam clusters de computadores com centenas de CPUs. Esta melhoria permitiu-nos executar inúmeras simulações de radiação, anteriormente dispendiosas, permitindo observar a radiação a resoluções espaciais sem precedentes.