Электроны излучают в сто раз больше энергии взаимодействую с новым типом решетки

Ученые НИЯУ МИФИ предложили новый тип решетки, взаимодействуя с которой электрон будет излучать в сто раз больше энергии, чем обычно. Результаты исследования опубликованы в высокорейтинговом научном журнале Physical Review B.

Данное явление представляет собой один из примеров того, что физики называют «связанными состояния электрона в континууме» (ССК).

Одно из проявлений ССК – значительное усиление интенсивности излучения быстрых электронов за счет резонансов в излучающей структуре. В 2018 году группа ученых из Америки и Израиля теоретически исследовали излучение, которое возникает при взаимодействии электронов с решетками.

Ученые показали, что проявление квази-ССК может быть настолько значительным, что электроны сравнительно медленные – нерелятивистские – будут излучать сильнее, чем релятивистские электроны, т.е. электроны с высокой энергией, двигающиеся со скоростью, близкой к скорости света. Это необычно, так как принято считать, что чем выше энергия электрона, тем больше он излучает.

Сотрудники лаборатории «Излучение заряженных частиц» НИЯУ МИФИ предложили новый тип решетки, взаимодействуя с которой электрон будет излучать в сто раз больше энергии, чем обычно.

«Каждый элемент решетки – димер, то есть пара частиц, размер которых много меньше длины волны, на которой наблюдается излучение. Эффект усиления достигается на определенных частотах за счет резонансного взаимодействия между частицами димера. Это и есть проявление квази-ССК. Частицы находятся близко друг к другу и влияют на излучательную способность друг друга. Мы рассчитали характеристики возникающего излучения, а также определили оптимальное расстояние, на котором должны находиться частицы, чтобы наблюдался резонанс на примере конкретной реализуемой структуры», — рассказала ведущий научный сотрудник Дарья Сергеева.

По ее словам, для медных сферических частиц это расстояние составило 518 мкм. При таких параметрах на компактном электронном ускорителе с энергией электронного пучка 5-20 МэВ (наподобие тех, что повсеместно используются сегодня в медицинских центрах), можно будет наблюдать усиление излучения почти в 100 раз.

«Если аккуратно оптимизировать параметры решетки, то коэффициент усиления излучения может быть и выше. Однако, здесь есть какая-то загадка: расчеты, проведенные совершенно разными группами и в рамках разных подходов (нами — еще в 2008 г., американцами — в 2018, китайцами — в 2022, снова нами — в 2023 на уже другом типе решетки и усиления), при попытке оценить величину усиления численно сводятся к двум порядкам – то есть примерно в сотню раз! А почему именно в сто, чем на практике выделена эта цифра? Пока это совпадение остается загадкой», — отметила Дарья Сергеева

В отличие от выполненных иностранными учеными качественных оценок и компьютерного моделирования, разработанная исследователями НИЯУ МИФИ аналитическая теория позволяет провести более аккуратное исследование вопроса о возможном максимальном усилении, сообщила она.

«Дело в том, что у нас есть теперь формулы, детально описывающие эффект усиления. Мы планируем продолжить это исследование в будущем, и впервые реализовать данный эффект усиления нового типа экспериментально. Успех в этих исследованиях откроет новые возможности для разработки новейших источников электромагнитного излучения на основе искусственных материалов (метаматериалов), состоящих из отдельных микрорезонаторов и элементов микро- и наноплазмоники, включая объекты с существенно квантовыми свойствами», — подчеркнула исследователь.

Потенциальная область применения полученных результатов очень широка. Это конструирование источников электромагнитного микроволнового излучения, включая малоисследованный, но очень перспективный субмиллиметровый диапазон спектра; разработка станций невозмущающей диагностики релятивистских электронных пучков на новейших источниках излучения 4-го поколения (лазеры на свободных электронах, синхротроны, коллайдеры); субмиллиметровая интроскопия в промышленных и коммерческих технологиях; применение в области электроники (датчики на-чипе), в биологических и медицинских исследованиях.

Говоря о возможном прикладном значении новой разработки, Дарья Сергеева отметила: «Мы говорим про то, что наша решетка позволит повысить энергию излучения. Чем выше энергия, тем глубже может проникнуть излучение в вещество. Поэтому повышать энергию необходимо, если с помощью этого излучения предполагается просвечивать для разных целей (в медицине, биологии, интроскопии и промышленности, системах безопасности) большие объекты или объекты, которые находятся далеко».