Наши исследования в области физики заряженных частиц лежат на стыке двух огромных разделов науки: оптики и ускорительной физики. Мы занимаемся как вопросами генерации излучения, так и взаимодействия излучения с разного рода структурами. Мы заняты работой на будущее, потому что перед наукой в этой сфере стоят глобальные вызовы.
Что такое когерентное излучение
Предположим, есть некая система излучающих объектов: это могут быть антенны, или возбужденные молекулы, или пучок заряженных частиц. Вот мы берем одну частицу и заставим ее излучать с определенной интенсивностью. Затем возьмем две частицы, и теперь интенсивность излучения можно умножить на два. Если мы возьмем N частиц, то интенсивность будет в N раз больше. Это вещи крайне важные с точки зрения практики, ведь нам нужны источники излучения, которыми мы можем управлять.
При определенных условиях мы можем наблюдать эффекты нелинейного возрастания интенсивности излучения, когда оно усиливается не в N раз, а в N в квадрате раз! А представьте, что этих излучающих источников 10 миллиардов (это реальные цифры, бывает и больше). Получается совершенно невероятный выигрыш в интенсивности. Неудивительно, что сегодня самые интенсивные, самые яркие источники излучения, построенные человечеством — синхротроны, лазеры на свободных электронах — основаны именно на эффекте когерентности в излучении заряженных частиц.
Усилить то, что уже усилено
Человечеству удалось реализовать идею использования когерентного режима излучения. А что дальше? А можно усилить излучение еще как-то? Или мы здесь достигли максимума, разрешенного природой? Мы думаем, что есть пути и дальнейшего развития, и найти их — это и наша задача. В частности, в нашей группе мы развиваем некоторые подходы, которые обещают вывести на еще более интенсивные режимы излучения. Решение этой задачи требует развития физико-математической базы, проведения расчетов и экспериментов, чтобы доказать работоспособность тех или иных гипотез. Мы в этом смысле продолжаем традиции физики, которая сложились в Советском Союзе — излучательная физика у нас была очень сильной.
Мы акцентируемся на двух диапазонах электромагнитного излучения: терагерцовом и рентгеновском. Дело в том, что современная физика лазеров развита очень здорово, и хорошие, мощные источники когерентного излучения существуют в очень многих диапазонах. А вот в терагерцах и в рентгене, как ни странно, интенсивное когерентное излучение обеспечивают только лазеры на свободных электронах. Но хороших установок такого рода в мире очень немного, перечесть по пальцам одной руки. В нашей лаборатории мы исследуем новые типы источников в терагерцовом диапазоне, и некоторые наши гипотезы мы уже экспериментально проверяли и в России, и в Японии, на высокопрецизионном пучке установки LUCX, в крупнейшем японском исследовательском центре КЕК. В последние годы с международным сотрудничеством стало очень непросто, но зато мы в МИФИ начали строить свой собственный новый ускоритель, который, как мы планируем, будет не хуже зарубежных. А постараемся, чтобы и лучше.
Помогут метаматериалы
Мы работаем на стыке оптики и физики заряженных частиц, и вносим в ускорительную физику элементы оптики, очень хорошо развитой сегодня. Сейчас мы исследуем возможность резонансного усиления излучения. Для этого мы хотим использовать мишень, состоящую из резонансных элементов. Данные исследования лежат в русле развития идеи метаматериалов, которая является как раз чисто оптической темой.
Был такой советский физик Виктор Веселаго, он в 1969 году написал статью про странные материалы, у которых диэлектрическая и магнитная проницаемость — обе одновременно меньше нуля. Он показал, что у таких материалов будут очень странные свойства. Люди думали над этим несколько десятков лет, искали эти материалы в природе, не нашли. Потом на стыке веков, в 1999 году американец Смит и британец Пендри придумали, как искусственно сделать такие материалы — и сделали их. Правда, они создали их в радиодиапазоне, но факт в том, что они доказали: такие метаматериалы могут существовать, их можно делать. Они их собрали, как собирают дети конструктор, и это выглядело удивительно просто: какие-то железные и медные проволочки, какие-то закрученные спиральки — скажем, представьте себе квадратик, который вложен в другой квадратик, они разомкнуты, — в общем обычный, вроде, колебательный контур, аналог того, что используется во многих антеннах. Тем не менее это была целая революция в оптике, после чего пошла лавина научных публикаций о метаматериалах.
Cегодня метаматериалы уже используются в конкретных технологиях (модуляторы и фильтры сигнала, частотные и фазовые, резонансные усилители
Резонанс поможет уменьшить лазер
Если мы хотим уходить от сантиметрового излучения, например, в инфракрасную область, в оптическую, у нас длина волны становится короче, и для достижения резонанса нам нужны совсем маленькие элементы, которые надо делать в наномасштабах. Одна из задач, которая решается в нашей лаборатории — изучить резонансные эффекты и с их помощью дополнительно усиливать уже существующие механизмы излучения, при этом достигая компактности прибора.
Почему важно создать компактные установки когерентного излучения? Существующие лазеры на свободных электронах — это огромные установки. Например, Swiss FEL в Швейцарии — 800 метров в длину, European XFEL в Германии — 3 километра; современные синхротронные кольца — это как минимум 300 метров в окружности. Такие установки строить долго и дорого, и в каждой исследовательской лаборатории или центре их не поставишь. А если бы были установки компактные, сравнительно недорогие — насколько б увеличилось число открытий на них, возросли возможности их конкретных применений!
Как использовать эффект обратного комптоновского рассеяния
Для достижения компактности, кроме резонансов, можно использовать также и эффект обратного комптоновского рассеяния. Он по своей природе очень простой. Если мы светим лазером на пучок электронов, то фотоны от этого пучка отражаются. Фотоны легкие, электроны тяжелые — а мы из школьной физики знаем, что при столкновении легкого тела с тяжелым легкое приобретает дополнительный импульс, то есть увеличивает свою скорость. Но фотоны всегда двигаются со скоростью света. И если они приобретают от столкновения дополнительную энергию, то у них увеличивается не скорость, а частота. То есть если мы светили лазером в оптическом диапазоне, то получаем луч уже в ультрафиолетовом или в рентгеновском, или даже в гамма-диапазоне.
В США уже делают и продают такие источники излучения, работающие в рентгеновском диапазоне. Неудивительно, что они в этом первые: в США много денег, много ученых, много коммерческих компаний, которые вкладываются в технологии. Но и там пока еще даже близко не достигнуто то, что можно выжать из этого процесса. У нас есть идеи, как можно еще усилить интенсивность таких источников: например, за счет использования краб-схемы. А еще, как можно реализовать такие источники на основе обратного комптоновского рассеяния в области, чрезвычайно популярной в наши дни (Нобелевские премии 2018, 2024 года) — аттосекундной оптике. Мы не одни это знаем: судя по публикациям, исследователи в США тоже об этом знают — но зато мы можем построить теорию, которая опишет детально это не самое простое явление. И, конечно, нам для всего этого хорошо бы иметь экспериментальные машины. Теория, только правильная, сама по себе отличный способ исследования. Но эксперимент — тоже очень интересная штука. Он не только позволяет доказать верность твоих идей широкому научному сообществу, но и показывает что-то новое, что ты мог просто не рассмотреть, позволяет провести твои идеи в жизнь — сначала на первых экспериментах, потом отработать их и превратить в технологии, которые потом будут реализованы в виде доступных всем приборов, способов исследования и воздействия на самые разные объекты, и перейдут в сферу услуг, доступных всем.
Физика нас еще удивит
Физика уже дала удивительные практические результаты. Не говоря даже про самолеты и космические спутники, компьютеры и смартфоны, сверхбыструю связь и новые материалы. Вот буквально пара-тройка из сотен, может и тысяч примеров: вот сегодня в медицине повсеместно применяют исследования МРТ. Ну, а в основе МРТ лежит явление ядерно-магнитного резонанса. А ведь еще несколько десятков лет назад этим занимались только физики-теоретики.
Или взять позитрон-эмиссионную томографию. Что такое позитрон? Это ведь антивещество, это античастицы электронов — а мы сегодня эту антиматерию, что еще в моем детстве казалась фантастикой, используем в ПЭТ-томографах. Или вот сегодня лазеры стали повседневностью: сверхкороткими лазерными вспышками корректируют зрение, испаряя часть хрусталика, и это уже 10−15 лет доступно не в единичных крупнейших медицинских центрах, а чуть ли не в каждом районе любого большого города. И мы в наших исследованиях тоже двигаемся вперед.
