Японские физики разработали набор вогнутых и выгнутых зеркал, позволяющих фокусировать рентгеновское лазерное излучение в сверхтонкий луч, чей диаметр составляет около семи нанометров. Это позволяет использовать рентгеновские лазеры на свободных электронах для полного удаления электронов из атомов тяжелых веществ, а также изучения взаимодействий света и материи, пишут исследователи в статье в журнале Nature Photonics.

«Мы впервые разработали нанофокусирующую оптику для лазера на свободных электронах, что позволило нам достичь мирового рекорда в интенсивности пучка, составляющий порядка 14,5 секстиллиона ватт на квадратный сантиметр. Мы ожидаем, что этот показатель можно дополнительно увеличить в 2–3 раза, если сделать поверхность и структуру зеркал более идеальной», – говорится в исследовании.

Технология фокусировки лазерного излучения была разработана группой физиков под руководством профессора Университета Осаки Ямаути Казуто, работающей с японским лазером на свободных электронах SACLA. Эта установка была построена в 2011 году на территории ускорительного комплекса SPring-8 в префектуре Хего для проведения различных биологических, химических и физических экспериментов.

Как объясняют физики, для проведения этих опытов ученым необходимо собрать рентгеновское излучение в очень узкий луч, что позволяет достичь максимально высокого разрешения при получении фотографий клеток и неживой материи, а также для изучения взаимодействий между светом и материей и других физических процессов. Для этого ученые используют системы из выгнутых и вогнутых зеркал фокусирующие лазерный луч в одной точке пространства.

Физики создали такую комбинацию из этих отражающих поверхностей, которая оказалась примерно в тысячу раз менее чувствительной к небольшим сдвигам в положении источников рентгена, чем ее предшественники. Это позволило ученым дополнительно сжать итоговый пучок рентгеновского излучения и уместить его в окружность диаметром в семь нанометров, что в разы меньше, чем у прошлых попыток создать концентрированный луч рентгеновского лазера на свободных электронах.

Первые проверки работы этой системы зеркал на установке SACLA показали, что она способна вырабатывать лучи рентгена с интенсивностью в десятки секстиллионов ватт на квадратный сантиметр. Этого оказалось достаточно для того, чтобы оторвать фактически все электроны от атомов хрома, за исключением одной или двух частиц, и впервые проследить за их последующим поведением. В перспективе, применение подобных зеркал позволит ученым наблюдать за процессами в одиночных молекулах, а также изучать то, как ведут себя полностью очищенные от электронов ядра других тяжелых элементов, подытожили физики.