Ускоритель частиц размером с карандаш. Мощность — как у километрового. И это работает

Лазерные ускорители частиц давно привлекают физиков простой и заманчивой идеей: заменить огромные установки куда более компактными системами. На практике путь к этой цели долго тормозили две проблемы - нестабильная плазма и электронный пучок, параметры которого трудно удержать в нужных пределах. Теперь исследователи показали, что усиление в лазере на свободных электронах можно получить в диапазоне экстремального ультрафиолета при длинах волн от 27 до 50 нанометров, причем участок ускорения занял всего несколько миллиметров.

В основе эксперимента лежит лазерно-плазменное ускорение. Мощный лазерный импульс проходит через плазму и формирует в ней волну, которая движется почти со скоростью света. Внутри волны возникают очень сильные электрические поля. Такие поля разгоняют электроны намного эффективнее, чем поля в обычных ускорителях. Авторы работы пишут, что по напряженности они более чем в 1 000 раз превосходят поля традиционных систем.

Главное достоинство этой схемы связано с размерами установки. Обычные электронные ускорители для сходных задач могут занимать сотни метров. Здесь разгон произошел на участке длиной в несколько миллиметров. Именно поэтому интерес к лазерно-плазменным схемам не спадает уже много лет: если добиться устойчивой работы, хотя бы часть громоздких комплексов удастся заменить гораздо более компактными системами.

Главная трудность связана с качеством электронного пучка. Для лазера на свободных электронах недостаточно просто разогнать электроны до высокой энергии. Нужен пучок, в котором частицы имеют почти одинаковую энергию и движутся достаточно согласованно. Такой пучок называют моноэнергетическим. Без этого лазерное усиление либо вообще не появляется, либо остается слишком слабым и нестабильным для практического применения.

Именно здесь команда получила самый важный результат. Исследователи сумели сформировать качественные электронные пучки и использовать их для усиления в лазере на свободных электронах в диапазоне экстремального ультрафиолета. Если подход удастся развить дальше, следующим шагом станет переход к еще более коротким длинам волн, вплоть до рентгеновского диапазона.

Авторы отдельно поясняют, какие изменения помогли улучшить установку. Один из важных элементов связан с формированием лазерного импульса. Команда специальным образом изменяла его временной и пространственный профиль, чтобы точнее фокусировать излучение. Вместе с собственными сверхзвуковыми газовыми соплами это дало более стабильный волновой фронт и позволило лучше контролировать плазменный источник. Для таких систем подобная настройка особенно важна: как только плазма начинает вести себя неустойчиво, качество ускорения быстро падает.

По словам первого автора Чжань Цзиня, именно сочетание нескольких улучшений по сравнению с прежними схемами позволило выйти на усиление в лазере на свободных электронах в экстремальном ультрафиолете. Старший автор Томонао Хосокаи отмечает, что лазерно-плазменное ускорение долго считали малопригодным для реальных задач именно из-за проблем со стабилизацией плазмы. Теперь качество и устойчивость электронных пучков заметно выросли, поэтому разговор о миниатюризации будущих ускорителей уже не выглядит отвлеченной теорией.

Лазер на свободных электронах устроен не так, как обычный оптический лазер. Вместо твердого тела или газа в нем работает пучок быстрых электронов. Электроны проходят через специальную магнитную систему и начинают испускать согласованное излучение. В крупных установках такие источники дают очень яркий и очень короткий свет, в том числе в рентгеновском диапазоне. Авторы напоминают, что подобные системы способны генерировать когерентные рентгеновские лучи с яркостью, которая в миллиарды раз превышает яркость солнечного излучения, а длительность импульсов у них измеряется фемтосекундами.

Именно поэтому уменьшение размеров таких установок имеет большой смысл. Сейчас подобные источники света доступны в основном на крупных национальных и международных установках. Строить, содержать и обслуживать их могут только большие исследовательские центры. Если ускорители и рентгеновские лазеры на свободных электронах удастся заметно сократить в размерах, часть экспериментов можно будет перенести в обычные лаборатории. Такой переход затронет не только физику ускорителей, но и смежные области, где подобные источники уже стали рабочим инструментом.

Область применения у компактных систем очень широкая. Авторы прямо говорят о науках о жизни, материаловедении, разработке полупроводников и квантовых технологиях. Причина понятна: сверхяркие короткие импульсы позволяют с высокой точностью изучать структуру вещества, отслеживать быстрые процессы в материалах и исследовать объекты, которые плохо видны обычными методами. Сейчас ради таких измерений приходится ехать на большую установку и ждать выделенного времени на эксперимент. Настольные или хотя бы лабораторные версии подобных источников заметно упростили бы доступ к таким исследованиям.

До настоящего настольного рентгеновского лазера путь еще долгий. Нынешний результат относится к экстремальному ультрафиолету, а не к рентгеновскому диапазону, и переход от демонстрации принципа к надежной рабочей системе обычно занимает годы. Но сдвиг уже произошел. Лазерно-плазменное ускорение долго считали перспективной, но слишком нестабильной технологией. Теперь появился экспериментальный результат, который показывает, что по качеству такие схемы постепенно приближаются к уровню, нужному для реальных ускорителей высокой энергии. Следующая задача сформулирована вполне прямо: довести тот же подход до компактных рентгеновских лазеров на свободных электронах.