Можно ли создать настольный ускоритель частиц? Да, и это поможет в биохимии и материаловедении

Человечество всегда стремилось создавать все более яркие и мощные источники света. От костра до лампочки, от лампочки до лазера. Сегодня передний край науки требует инструментов иного порядка — источников, способных генерировать предельно короткие и интенсивные вспышки излучения, например, в рентгеновском диапазоне. Такие источники нужны, чтобы заглядывать внутрь материалов, наблюдать за химическими реакциями в реальном времени и управлять материей на атомном уровне.

Традиционно для этого строят синхротроны — гигантские кольцевые ускорители размером со стадион. В них пучки электронов разгоняют до околосветовых скоростей и заставляют поворачивать с помощью мощных магнитов. При каждом повороте электроны теряют энергию, испуская тот самый яркий свет. Это дорого, громоздко и доступно лишь крупным научным центрам.

Но что, если тот же принцип можно реализовать в установке, которая помещается на лабораторном столе? Недавно группа физиков предложила схему, которая делает именно это. Их работа, опубликованная в Physical Review Letters, описывает, как с помощью лазера, миниатюрной трубки и одного физического эффекта можно создать компактный источник сверхъяркого когерентного рентгена.

Что такое когерентность и почему она так важна?

Прежде чем разбирать сам механизм, нужно понять важное слово из работы — «когерентный». Возьмем толпу людей, кричащих невпопад. Это — некогерентный источник звука. Суммарный шум будет громким, но хаотичным. Теперь возьмем оперный хор — все поют громко и слаженно. Звуковая волна становится несравнимо мощнее и направленнее.

То же самое происходит со светом. В обычной лампочке атомы излучают фотоны независимо друг от друга. Их волны складываются хаотично. Это некогерентный свет. В когерентном источнике, таком как лазер, частицы излучают свет слаженно. Световые волны усиливают друг друга, создавая интенсивный и сфокусированный пучок. Цель исследования — не просто получить рентгеновские лучи, а заставить электроны излучать их когерентно.

Но как заставить миллиарды электронов действовать синхронно?

Рецепт нового источника: лазер, трубка и плазмоны

Предложенная схема состоит из трех основных компонентов.

1. Источник энергии: сверхмощный лазерный импульс, но не простой, а с круговой поляризацией. Это означает, что вектор его электромагнитного поля не колеблется в одной плоскости, а вращается, как штопор, двигаясь вперед.
2. Рабочая среда: полая микротрубка диаметром в несколько микрон, изготовленная из материала с почти критической плотностью. Например, из плотного слоя углеродных нанотрубок.
3. Ключевой посредник: поверхностные плазмон-поляритоны (ППП). Это не какая-то экзотическая частица, а гибридное состояние. По сути, это коллективные колебания свободных электронов на поверхности материала, прочно сцепленные со световой волной. Они бегут вдоль границы раздела двух сред — в данном случае, вакуума внутри трубки и ее стенок.

Процесс разворачивается так. Вращающийся лазерный импульс направляется точно вдоль оси микротрубки. Его мощное поле взаимодействует с внутренней поверхностью стенок и резонансным образом раскачивает на ней эти самые плазмон-поляритоны. Цилиндрическая геометрия трубки и вращающаяся поляризация лазера идеально подходят друг другу. Это позволяет передать энергию от лазера к поверхностным электронам с огромной эффективностью.

В результате на внутренней стенке трубки возникает мощнейшее вращающееся электромагнитное поле. Его напряженность достигает триллионов вольт на метр (ТВ/м) — это значения, труднодостижимые в повседневной жизни. Поле несется вдоль трубки со скоростью, близкой к скорости света.

Рождение спирального луча

Это мощное вращающееся поле делает с электронами три вещи одновременно.

Во-первых, оно вырывает их прямо из материала стенок и захватывает, не давая улететь. Во-вторых, оно ускоряет их в продольном направлении до релятивистских — то есть почти световых — скоростей. В-третьих, и это самое главное, оно закручивает их, заставляя двигаться по спиральной траектории вдоль внутренней поверхности трубки.

Группа захваченных электронов перестает быть просто набором частиц. Они движутся вместе, модулированные единым полем, и ведут себя как единое целое, то есть как одна квазичастица. Этот сгусток электронов, несущийся вперед по спирали, и есть то, что нужно для генерации синхротронного излучения. Условия созданы.

Результат: сверхъяркая вспышка рентгена

Любой заряженный объект, движущийся с ускорением, излучает электромагнитные волны. Электроны в нашем сгустке летят по спирали, то есть постоянно меняют направление движения. А поскольку они делают это не поодиночке, а все вместе, их излучение складывается когерентно.

Численное моделирование, проведенное авторами, показало очень хороший результат. Предложенная схема генерирует когерентное синхротронное излучение в рентгеновском диапазоне. Его яркость оказывается на два порядка — то есть примерно в 100 раз — выше, чем если бы те же электроны излучали свет хаотично.

Более того, излучение испускается в виде четко выраженных гармоник в определенном направлении, что позволяет легко отфильтровать нужную часть спектра. Это открывает дорогу к созданию компактных лабораторных источников когерентного рентгена с настраиваемыми параметрами.

Конечно, путь от теоретической модели к работающему устройству не прост. Он требует лазеров высочайшего качества и точности в изготовлении и юстировке микроскопических мишеней. Однако авторы подчеркивают, что технологии, необходимые для реализации такого эксперимента, уже существуют или находятся в стадии активной разработки.

Источник: Physical Review Letters