Ученые 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
Ученые из «Сколтеха» и зарубежных институтов выяснили, как можно
сделать рентгеновские лазеры еще более мощными, разработав новую
методику «накачки» подобных излучателей, сообщает РИА Новости.
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 Гинзбург 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.
Источник: ria.ru
