Metallic carbon nanotubes (CNTs) can provide ultra-dense, homogeneous plasma capable of sustaining resonant plasma waves–known as plasmons–with ultra-high field amplitudes. These waves can be efficiently driven by either high-intensity laser pulses or high-density relativistic charged particle beams. In this study, we use numerical simulations to propose that electrons and positrons can be accelerated in wakefields generated by the leaky electromagnetic field of surface plasmons. These plasmons are excited when a high-intensity optical laser pulse propagates paraxially through a cylindrical vacuum channel structured within a CNT forest. The wakefield is stably sustained by a non-evanescent longitudinal field with TV m−1-level amplitudes. This mechanism differs significantly from the plasma wakefield generation in uniform gaseous plasmas. Travelling at the speed of light in a vacuum, with phase-matched focusing fields, the wakefield acceleration is highly efficient for both electron and positron beams. We also examine two potential electron injection mechanisms: edge injection and self-injection. Both mechanisms are feasible with current laser facilities, paving the way for experimental realisation. Beyond presenting a novel method toward ultra-compact, high-energy solid-state plasma particle accelerators with ultra-high acceleration gradients, this work also expands the potential of high-energy plasmonics.
金属性カーボンナノチューブ（CNT）は、超高電場振幅を持つ共鳴プラズマ波–プラズモンとして知られる–を維持できる超高密度・均一プラズマを提供することができる。これらの波は、高強度レーザーパルスまたは高密度相対論的荷電粒子ビームのいずれかによって効率的に駆動され得る。本研究では、数値シミュレーションを用いて、表面プラズモンの漏れ電磁場によって生成されるウェイクフィールドにおいて電子と陽電子が加速され得ることを提案する。これらのプラズモンは、CNTフォレスト内に構造化された円筒形真空チャネルを高強度光学レーザーパルスが近軸的に伝播するときに励起される。ウェイクフィールドは、TV m−1レベルの振幅を持つ非エバネッセント縦方向電場によって安定に維持される。このメカニズムは、均一なガス状プラズマにおけるプラズマウェイクフィールド生成とは大きく異なる。真空中の光速で伝播し、位相整合された収束場を伴うため、ウェイクフィールド加速は電子ビームと陽電子ビームの両方に対して高効率である。また、2つの可能な電子入射メカニズム、すなわちエッジ入射と自己入射についても検討する。両メカニズムは現在のレーザー施設で実現可能であり、実験的実現への道を開く。超高加速勾配を備えた超コンパクトで高エネルギーの固体プラズマ粒子加速器に向けた新しい方法を提示することに加えて、この研究は高エネルギープラズモニクスの可能性も広げる。