Группа учёных из Японии совершила значительный шаг в создании компактных ускорителей частиц. Впервые им удалось добиться усиления лазерного излучения на свободных электронах в экстремальном ультрафиолетовом диапазоне длин волн от 27 до 50 нанометров, используя кильватерное ускорение, вызванное лазерным импульсом в плазме. Важно, что этот процесс происходит всего на нескольких миллиметрах пути, что существенно сокращает размеры установки.
В исследовании приняли участие специалисты из Университета Осаки (Институт научных и промышленных исследований 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 электроны ускорители, лежащие в основе синхротронных источников, имеют размеры от сотен метров до нескольких километров, как например российский проект СКИФ с кольцом длиной около 500 метров. Из-за таких масштабов доступ к ним ограничен для небольших научных коллективов. Новая технология открывает дорогу к созданию компактных настольных ускорителей, которые смогут использоваться даже в небольших лабораториях.
Ускорители электронов важны не только для фундаментальных исследований, но и как источники вторичного рентгеновского излучения. Демонстрация работы в ультрафиолетовом диапазоне — важный этап на пути к созданию компактных рентгеновских лазеров. Коротковолновое когерентное излучение позволит значительно повысить разрешение изображений атомарной структуры материалов и биологических объектов, что даст учёным возможность глубже изучать строение клеток и материалов.
Ключеым достижением стало получение стабильных и моноэнергетических пучков электронов высокой энергии. Это стало возможным благодаря усовершенствованной форме лазерного импульса, которая улучшает фокусировку, а также применению специально разработанных сверхзвуковых газовых сопел, обеспечивающих устойчивое формирование плазменных фронтов. Использование плазменных полей, которые по силе превышают традиционные ускоряющие поля в тысячу раз, позволило сократить длину ускоряющего участка с сотен метров до нескольких миллиметров.
Метод основан на фокусировке мощного лазерного импульса на струю сверхзвукового газа, что создаёт плазму и волны, ускоряющие электроны почти до скорости света. Затем электронный пучок направляется в ондулятор — магнитное устройство, где электроны колеблются и излучают когерентный лазерный свет. Повышение стабильности плазмы устранило проблемы с её неконтролируемым поведением, которые ранее мешали развитию технологии.
Это открытие приближает создание компактных рентгеновских лазеров на свободных электронах, способных генерировать излучение яркостью в 10 миллиардов раз выше солнечной и с импульсами длительностью в фемтосекунды. Такие приборы смогут работать в обычных лабораторных условиях и обещают революцию в областях биологии, материаловедения, полупроводников и квантовых технологий.
