The use of infrared lasers to power optical-scale lithographically fabricated particle accelerators is a developing area of research that has garnered increasing interest in recent years. The physics and technology of this approach is reviewed, which is referred to as dielectric laser acceleration (DLA). In the DLA scheme operating at typical laser pulse lengths of 0.1 to 1 ps, the laser damage fluences for robust dielectric materials correspond to peak surface electric fields in the GV/m regime. The corresponding accelerating field enhancement represents a potential reduction in active length of the accelerator between 1 and 2 orders of magnitude. Power sources for DLA-based accelerators (lasers) are less costly than microwave sources (klystrons) for equivalent average power levels due to wider availability and private sector investment. Because of the high laser-to-particle coupling efficiency, required pulse energies are consistent with tabletop microJoule class lasers. Combined with the very high (MHz) repetition rates these lasers can provide, the DLA approach appears promising for a variety of applications, including future high-energy physics colliders, compact light sources, and portable medical scanners and radiative therapy machines.34 MoreReceived 12 August 2013DOI:https://doi.org/10.1103/RevModPhys.86.1337© 2014 American Physical Society

It is generally accepted that astrophysical sources cannot emit synchrotron radiation above 160 MeV in their rest frame. This limit is given by the balance between the accelerating electric force and the radiation reaction force acting on the electrons. The discovery of synchrotron gamma-ray flares in the Crab Nebula, well above this limit, challenges this classical picture of particle acceleration. To overcome this limit, particles must accelerate in a region of high electric field and low magnetic field. This is possible only with a non-ideal magnetohydrodynamic process, like magnetic reconnection. We present the first numerical evidence of particle acceleration beyond the synchrotron burnoff limit, using a set of two-dimensional particle-in-cell simulations of ultra-relativistic pair plasma reconnection. We use a new code, Zeltron, that includes self-consistently the radiation reaction force in the equation of motion of the particles. We demonstrate that the most energetic particles move back and forth across the reconnection layer, following relativistic Speiser orbits. These particles then radiate >160 MeV synchrotron radiation rapidly, within a fraction of a full gyration, after they exit the layer. Our analysis shows that the high-energy synchrotron flux is highly variable in time because of the strong anisotropy and inhomogeneity of the energetic particles. We discover a robust positive correlation between the flux and the cut-off energy of the emitted radiation, mimicking the effect of relativistic Doppler amplification. A strong guide field quenches the emission of >160 MeV synchrotron radiation. Our results are consistent with the observed properties of the Crab flares, supporting the reconnection scenario.

Using two-dimensional particle-in-cell simulations, we characterize the energy spectra of particles accelerated by relativistic magnetic reconnection (without guide field) in collisionless electron-positron plasmas, for a wide range of upstream magnetizations $\sigma$ and system sizes $L$. The particle spectra are well-represented by a power law $\gamma^{-\alpha}$, with a combination of exponential and super-exponential high-energy cutoffs, proportional to $\sigma$ and $L$, respectively. For large $L$ and $\sigma$, the power-law index $\alpha$ approaches about 1.2.

We present 3D fully kinetic shearing-box simulations of pair-plasma magnetorotational turbulence with unprecedented macro-to-microscopic scale separation. While retrieving the expected fluid behavior of the plasma at large scales, we observe a steepening of turbulent spectra at kinetic scales and substantial angular-momentum transport linked with kinetic processes. For the first time, we provide a definitive demonstration of nonthermal particle acceleration in kinetic magnetorotational turbulence agnostically of shearing-box initial conditions by means of a novel strategy exploiting synchrotron cooling.