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.

Физики создали новый вид атомных часов на основе атома цезия, которые можно использовать не только в качестве хронометра и эталона времени, но и как сверхточные весы, что позволит в ближайшем будущем связать эталоны массы и времени.

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. Российский радиотелескоп «Радиоастрон» помог астрофизикам «уличить» сверхмассивные черные дыры в том, что температура их «плевков» превышает максимально допустимые значения на порядок, что указало на необходимость формулировки новой физики.

Источник: ria.ru


Читайте также:

Добавить комментарий

Войти с помощью: 

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

*

This site is protected by reCAPTCHA and the Google Privacy Policy and Terms of Service apply.

Яндекс.Метрика