Группа исследователей из Японии осуществила важный шаг в создании компактных ускорителей частиц. Впервые им удалось увеличить мощность лазера на свободных электронах в диапазоне экстремального ультрафиолета (27–50 нм) с помощью кильватерного ускорения, инициированного лазерным лучом в плазме, что произошло на очень коротком участке длиной всего несколько миллиметров. Это открывает перспективы для создания настольных ускорителей, способных значительно продвинуть науку.
В исследовании участвовали специалисты из Института научных и промышленных исследований Университета Осаки (SANKEN), Kansai Institute for Photon Science (KPSI), Национального института квантовой науки и технологий (QST), Центра RIKEN SPring-8 (RSC) и Организации исследований высоких энергий (KEK). Современные электронные ускорители, используемые в синхротронных установках, имеют периметр до нескольких сотен метров, что ограничивает доступ к ним для исследовательских команд. Настольные ускорители, в свою очередь, позволят осуществлять значимые научные открытия даже в небольших лабораториях.
Ускорители электронов интересны как источники вторичного рентгеновского излучения. Эксперимент с ультрафиолетом стал важным шагом вперед. Более короткая волна когерентного рентгеновского света и увеличение его энергии в компактном ускорителе обеспечат более высокое разрешение изображений атомарной структуры материалов и клеток. Это позволит глубже понять природу объектов и организмов.
Ключевым достижением разработки компактного ускорителя стало создание стабильных моноэнергетических электронных пучков высокой энергии. Это стало возможным благодаря усовершенствованной форме лазерного импульса и специально созданным сверхзвуковым газовым соплам, которые обеспечивают устойчивые плазменные фронты. В результате удалось добиться усиления лазера на свободных электронах в экстремальном ультрафиолете, используя плазменные поля, в тысячу раз сильнее традиционных ускорителей, что сократило длину ускорительного трека с сотен метров до всего нескольких миллиметров.
Метод основан на фокусировке мощного лазерного импульса на сверхзвуковой газовой струе, создающей плазму и ускоряющей электроны до почти световой скорости. Полученные электроны транспортируются в ондулятор — магнитную структуру, где они генерируют когерентное лазерное излучение. Устойчивость плазмы позволила преодолеть проблемы, связанные с неконтролируемым поведением плазменной среды.
Это открытие приближает создание компактных рентгеновских лазеров на свободных электронах, которые смогут генерировать излучение в 10 миллиардов раз ярче солнечного света с продолжительностью импульсов на уровне фемтосекунд, но в условиях обычной лаборатории. Такие устройства обещают произвести революцию в исследованиях в областях биологии, материаловедения, создания полупроводников и квантовых технологий.