Китайские физики использовали плазму в качестве ускорительной части лазера на свободных электронах. На созданной установке ученые научились получать мощные и короткие пучки когерентного рентгеновского излучения. Такой результат подтверждает, что плазменные ускорители можно использовать для создания компактных лазеров на свободных электронах.

По мнению авторов статьи, опубликованной в Nature, это позволит расширить область применения лазеров на свободных электронах, которые пока что создают только на основе громадных и дорогих радиочастотных ускорителей.

Масштаб предметов и временных отрезков, за которыми в состоянии наблюдать человек, определяется длиной волны и длительностью направленного на объект пучка излучения. Это обусловлено тем, что любая волна (а на самом деле — и частица) не может быть использована для наблюдения за предметами, размер которых меньше, чем длина этой волны (в случае частицы — волны Де Бройля). Поэтому, к примеру, простой оптический микроскоп невозможно использовать для исследования объектов размером меньше микрометра: свет просто «не заметит» такой предмет, так как наименьшая длина волны видимого излучения — порядка 400 нанометров. Поэтому для наблюдения за микроскопическими объектами или процессами ученые вынуждены уменьшать длину волны используемого для этого излучения.

Один из способов добиться этого — использовать быстрые электроны, которые интенсивно излучают фотоны при ускоренном движении. Именно на этом принципе основаны лазеры на свободных электронах: в них электроны сначала ускоряют до высоких энергий, а потом пропускают через ондулятор — набор магнитов, который заставляет электроны двигаться по синусоидальной траектории. В процессе такого движения электроны производят излучение, длина волны которого пропорциональна пространственному периоду их колебаний и обратно пропорциональна квадрату их энергии.

Таким образом ученые могут получать короткие (вплоть до фемтосекунд) импульсы мощного когерентного рентгеновского излучения. Такие характеристики позволяют использовать их для изучения самых разных объектов и процессов на очень малых пространственных и временных масштабах в рамках химии, структурной биологии и других областей.

Но главным препятствием для повсеместного использования лазеров на свободных электронах остается их дороговизна и размер. Для того чтобы разогнать электроны до необходимых нескольких гигаэлектронвольт, сейчас ученые используют огромные ускорители на основе радиочастотных резонаторов. Большой размер таких установок обусловлен тем, что у них есть максимальный темп ускорения частиц (десятки мегаэлектронвольт на метр), превзойти который нельзя из-за недостижимости больших значений ускоряющих полей. Кроме того, для получения мощного когерентного излучения необходимы пучки электронов, разброс энергий и импульсов в которых не будет превышать десятые доли процента, что также накладывает ограничения на ускоряющие элементы.

Теперь же Вентао Ван (Wentao Wang) и Ке Фэн (Ke Feng) вместе с коллегами из Шанхайского института оптики и точной механики впервые успешно решили проблемы дороговизны и больших размеров нынешних лазеров на свободных электронах с помощью плазменного ускорителя.