Ist "Microbunching" in einem Freie-Elektronen-Laser durch das Pauli-Ausschlussprinzip begrenzt?

So wie ich es verstehe, kann man sich einen Freie-Elektronen-Laser im Grunde als eine Synchrotron-Lichtquelle mit einem Undulator vorstellen, der durch den speziellen Aufbau bewirkt, dass sich die Elektronen selbst so einstimmen, dass sie sowohl kohärentes als auch monochromatisches Licht erzeugen (im Gegensatz zu den üblichen Synchrotron, das monochromatisches, aber inkohärentes Licht erzeugt). Der Prozess der Selbstabstimmung kann auch durch die Abstimmung der Elektronen durch einen externen Laser ersetzt werden.

Abgesehen von den Details verursacht die durch den richtigen Parametersatz verursachte Resonanz im Elektronenstrahl etwas, das als "Mikrobündelung" bezeichnet wird, dh einen Effekt, der sich klassisch so vorstellen lässt, dass sich alle Elektronen im Abstand von eins um Punkte im Strahl versammeln optische Wellenlänge dazwischen. Gleiche räumliche Punkte bedeuten gleiche Welligkeit, so dass sie im gesamten Strahl mit der gleichen Phase oszillieren, was eine Kohärenz des emittierten Lichts bewirkt. (Ich habe gerade darüber gelesen, das ist vielleicht eine etwas naive Beschreibung.)

Alle Elektronen an einem Ort und mit einer Geschwindigkeit? Pauli-Ausschlussprinzip kommt einem schnell in den Sinn.

Es scheint mir, dass zumindest für kleine Wellenlängen (sagen wir ångströms → Röntgenstrahlen) muss die Bündelung aufgrund des Pauli-Ausschlussprinzips auf Kosten einer merklichen Geschwindigkeitsdispersion der Elektronen erfolgen. Dies würde eine Streuung der erzeugten Wellenlängen und möglicherweise eine Tendenz zur weiteren Verdünnung der gebündelten Elektronenpakete bedeuten.

Außerdem bedeutet eine größere erforderliche Helligkeit des Ausgangs mehr Elektronen und wiederum eine breitere Spitze im Phasenraum, in die die Elektronen passen. Dies würde auf sehr handverzichtbare Weise darauf hindeuten, dass es eine bestimmte einschränkende Beziehung zwischen Wellenlänge/Monochromatizität/Kohärenz/Helligkeit des Ergebnisses gibt.

Die Frage ist also: Gibt es eine solche grundlegende Einschränkung eines Freie-Elektronen-Lasers? Und ist es relevant für den aktuellen Stand der Technik oder die nahe Zukunft?

Ich kann mir nicht vorstellen, dass wir in einem freien Strahl in der Nähe von entarteten Dichte- / Druckbedingungen sind. Um viele Größenordnungen. Ich würde nach der primären Einschränkung durch Raumladungseffekte oder Strahlkühlung suchen.
Da muss ich dmckee zustimmen. Es klingt wie ein perfekt halbklassischer Mechanismus, kein Ausschlussprinzip erforderlich. Ich sehe auch keine Möglichkeit, dass bei diesen Beschleunigern jemals die physikalische Grenze erreicht werden könnte. Magnetfelder um Neutronensterne liegen Schätzungen zufolge in der Größenordnung von mehreren zehn Millionen Tesla, wahrscheinlich sogar noch mehr. Wir sind weit, weit davon entfernt, solche Bedingungen in einem Strahllinienmagneten technisch zu erreichen, was bedeutet, dass die Natur weitaus leistungsfähigere Röntgenlaser herstellen kann als wir.
@dmckee Sicher, ich erinnere mich nie an die relevantesten Tags. Ich dachte über die Raumladungseffekte nach und erinnerte mich an alle Fälle, in denen sie vernachlässigt wurden. Aber andererseits sind alle diese Fälle wie Festkörper oder weiße Zwerge quasineutral. Okay, ich denke, ich habe meine Antwort auf die ursprüngliche Frage - Pauli-Ausschluss wäre nicht relevant. Möchtest du es als Antwort aufschreiben? Ich könnte es vielleicht ändern, um nach der Relevanz von Ladungs- und Ausschlusseffekten zu fragen, damit wir die Angelegenheit schließen können.
Ich weiß nicht, wie hoch die Stromstrahldichten in Elektronenmaschinen sind, daher ist es schwierig, eine genaue Antwort zu schreiben. Es ist nur so, dass das Erreichen von Dichten (für irgendetwas), bei denen Entartung ins Spiel kommt, sehr schwierig ist, es sei denn, Sie wollen nur auf ein Atom zeigen. Es wird für BECs verwaltet, indem sie sehr kalt gemacht werden.
@CuriousOne Ich sehe nicht, wie die Stärke stationärer Magnetfelder um Neutronensterne mit Lasern zusammenhängt. Es gibt einige ziemlich beeindruckende energetische Phänomene in der Natur, die weit außerhalb unserer Laborreichweite liegen, aber ich erinnere mich nicht, dass eines von ihnen kohärentes Licht erzeugt – was der Fall wäre, den ich einen „natürlichen Laser“ nennen würde.
Sie haben gefragt, ob es wegen der Bündelung eine Grenze für Freie-Elektronen-Laser gibt. Das gibt es, aber man kann das Magnetfeld immer höher wählen, und die Natur hat das so wunderbar mit Neutronensternen gemacht, dass wir niemals auch nur annähernd an die Art von Lasern herankommen werden, die in der Nähe dieser Objekte stattfindet. Mit diesen körperlichen Bedingungen können wir einfach nicht mithalten.

Antworten (1)

Pauli fand sein Prinzip zuerst für Elektronenzustände in einem Atom. Nennen Sie es das starke Prinzip, für die niedrigsten Atomorbitale und unter "normaler" Temperatur und anderen energetischen Umständen beschreibt es ein Naturgesetz.

Es wurde auch herausgefunden, dass in Metallen die freien Elektronen einen breiten Bereich von Energieniveaus haben. Dadurch können sie sich in unterschiedlichen Abständen von den gebundenen Elektronen befinden und den freien Raum in der metallischen Struktur nutzen. Das Aufheizen eines solchen Systems nivelliert die Energien der freien Elektronen und verbreitert das Niveau. Im Prinzip wird dies in der Thermodynamik vorhergesagt. Die freien Elektronen sind chaotische Teilchen, die durch elektromagnetische Strahlung mit anderen Teilchen wechselwirken. Das ganze System ist im Gleichgewicht (wenn es nicht von außen gestört wird), aber jedes Elektron ändert ständig sein Energieniveau.

Den Elektronen Wärmeenergie zu entziehen, gibt ihnen immer weniger Möglichkeiten, Photonen auszutauschen, und sie sind immer weniger unterscheidbar. Zumindest können Sie kondensierte Materie.

Das Begrenzen von Elektronen in einem Kasten mit Wänden, die nur ein Energieniveau haben, verringert die thermische Wechselwirkung für die Elektronen. So auch bei dem kunstvoll komponierten Freie-Elektronen-Laser. Wir müssen also mit der Anwendung des Pauli-Prinzips vorsichtig sein.

Ist "Microbunching" in einem Freie-Elektronen-Laser durch das Pauli-Ausschlussprinzip begrenzt?
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