Российские физики выяснили, как создать мощнейшие рентгеновские лазеры
Ученые из "Сколтеха" и зарубежных институтов выяснили, как можно сделать рентгеновские лазеры еще более мощными, разработав новую методику "накачки" подобных излучателей. Инструкции по сборке этих устройств были опубликованы в журнале Physical Review Letters.
"На мой взгляд, красота нашей работы – в ее простоте. Если честно, мы были очень удивлены насколько все просто и гладко получается, пришлось перепроверять несколько раз – мы сами себе не верили", — рассказывает Сергей Рыкованов, профессор Сколковского института науки и технологий.
Рентгеновские лазеры и гамма-излучатели сегодня широко и очень активно используются учеными для получения "атомных" фотографий различных биомолекул, микробов и тканей тела, а также для изучения структуры новых перспективных неорганических материалов.
Несмотря на их высокую полезность, постройка подобных излучателей – крайне дорогое и сложное занятие. Как правило, для их работы необходим или ускоритель частиц, разгоняющий электроны и заставляющий их испускать частицы света, резко тормозя их, или же особая плазменная среда, способная вырабатывать пучки фотонов высокой энергии без применения зеркал.
Проблема, как объясняют Рыкованов и его коллеги, заключается в том, что свет, вырабатываемый подобными машинами, обладает столь высокой энергией, что он начинает "давить" на электроны, которые взаимодействуют с источником энергии и вырабатывают рентгеновские фотоны. В результате этого электроны замедляются, что снижает "кучность" вырабатываемого излучения и его мощность.
Ученые давно пытаются бороться с этим эффектом, используя один из феноменов, хорошо знакомый представителям совсем другой науки – астрономии. Дело в том, что в космосе существует гораздо более мощные природные "лазеры", вырабатывающие не только рентгеновское, но и гамма-излучение сверхвысокой энергии.
Подобные "излучатели" представляют собой облака из разогретого газа, окружающие сверхмассивные черные дыры в центрах Галактик. Они поглощают относительно мягкие формы излучения, вырабатываемые "бубликом" материи на орбите этих объектов, и преобразуют его в рентгеновские и гамма-фотоны.
Это происходит благодаря эффекту, открытому еще в 1920 годах известным американским физиком Артуром Комптоном. Он заметил, что фотоны могут особым образом "отражаться" от электронов, с которыми они сталкиваются, теряя энергию или "накачиваясь" ей на определенную величину, которую ученые сейчас называют "комптоновским сдвигом".
Строгий характер таких переходов, как отмечают Рыкованов и его коллеги, позволяет вырабатывать очень "узкие" и "кучные" пучки рентгеновского лазерного излучения, обстреливая разогнанные электроны другими типами лазеров. Тем не менее, как и в случае с синхротронными лазерами, повышение интенсивности света ведет к тому, что пучок начинает расплываться.
Российские физики и их коллеги из США и Германии выяснили, как можно избавиться от подобных проблем, просчитав на суперкомпьютере "Сколтеха" то, как будут меняться свойства электронов при накачке подобного лазера.
Ученые пришли к выводу, что проблемы должны исчезнуть, если накачивать рентгеновский лазер не простыми вспышками более низкочастотного излучения, а особыми "сжатыми" импульсами света.
"Мы предложили очень простой способ убрать паразитное уширение и значительно увеличить выход рентгеновских и гамма фотонов. Для этого необходимо в каждый момент времени аккуратно подстраивать частоту лазерного импульса под текущее значение интенсивности, то есть "чирпировать" импульс", — продолжает Рыкованов.
Для достижения максимального эффекта, по его словам, можно использовать не один, а два подобных импульса, "бегущих" в противоположных направлениях. Эта же методика, по словам физиков, подходит для создания пока не существующих гамма-лазеров, чьей работе мешают схожие проблемы и чье создание покойный нобелевский лауреат Виталий Гинцбург считал одной из главных задач человечества.
Идеи российских ученых, как отметили в "Сколтехе", были не только опубликованы в научных изданиях, но и в ближайшее время они будут запатентованы. Рыкованов и его коллеги надеются, что их идея найдет свое место не только в фундаментальной науке, но и в тех практических областях, где сегодня применяются рентгеновские лазеры малой мощности.