Ученые предлагают сверхяркие источники света на основе удивительных квазичастиц

Чтобы изучать объекты микроскопическом масштабе и за его пределами, ученые часто полагаются на чрезвычайно яркие источники света.

Лазеры на свободных электронах, которые дают наилучшие результаты, ускоряют электроны почти до скорости света, перемещая их через большие магниты, чтобы высвободить интенсивные импульсы фотонов, которые освещают материалы для изучения.

Теперь международная группа физиков считает, что они могут достичь того же эффекта с помощью гораздо меньшего устройства, используя квазичастицы – частицы, подобные тем, которые возникают в результате сложных взаимодействий коллектива других частиц.

Если их концепцию удастся превратить в работоспособную технологию, это может дать еще большему количеству исследователей во всем мире беспрецедентную возможность увидеть мельчайшие структуры, которые они изучают, что даст понимание вирусов, компьютерных чипов, фотосинтеза и химии звезд.

Ускорители частиц, которые можно разместить внутри здания, гораздо менее мощны, чем такие, как источник когерентного света Linac ( LCLS ). Размером с небольшой городок, его длинная «электронная трасса» способна излучать высокоэнергетические волны света в рентгеновской части спектра.

Но в последнее время был достигнут прогресс в миниатюризации ускорителей частиц, особенно когда речь идет об устройствах, ускоряющих заряженные частицы или плазму.

Теперь международная группа исследователей использовала компьютерное моделирование, чтобы продемонстрировать, как компактные плазменные ускорители могут производить яркий свет, эквивалентный тому, который создается большими ускорителями частиц.

Хитрость заключалась в том, чтобы понять, как плазменные ускорители генерируют квазичастицы.

Квазичастицы — это когерентные системы, которые могут возникать при возмущении или возбуждении среды. Хотя они сформированы в результате группового усилия, с ними можно обращаться как с дискретными частицами, поскольку они обладают стабильными свойствами, такими как заряд, масса, энергия, размер, форма и импульс.

Поскольку квазичастицы могут быть созданы в результате скоординированного движения группы светоизлучающих частиц, движущихся через среду, они могут проскользнуть через лазейки в законах физики, которые в противном случае ограничивали бы обычные частицы.

Они могут даже двигаться быстрее, чем свет в той же среде. Это возможно, потому что свет замедляется при прохождении через что-либо, кроме вакуума, поэтому квазичастицы могут его обогнать.

«Самый интересный аспект квазичастиц — это их способность двигаться способами, которые запрещены законами физики, управляющими отдельными частицами», — говорит физик и соавтор работы Джон Паластро.

«Несмотря на то, что каждый электрон совершает относительно простые движения, общее излучение всех электронов может имитировать излучение частицы, движущейся быстрее света, или колеблющейся частицы, хотя локально не существует ни одного электрона, который был бы быстрее света или колеблющейся частицы».

Квазичастицы также могут создавать сверхизлучение; сверхяркий луч фотонов, создаваемый совокупностью частиц, работающих синхронно.

Исследователи показали, что теоретически возможно создать это сверхизлучение, используя квазичастицы внутри плазменного лазера, создавая длины волн между инфракрасной и ультрафиолетовой частями спектра.

«Такой прогресс может привести к тому, что исследования и технологии, которые доступны только в нескольких лазерах на свободных электронах во всем мире, напрямую пойдут во многие университетские, больничные и промышленные лаборатории», — пишут исследователи.

«Следовательно, появление временной когерентности и сверхизлучения является важным недостающим ингредиентом для создания компактных, доступных и конкурентоспособных источников света на основе плазменных ускорителей».

Статья была опубликована в журнале Nature Photonics.