Текст уведомления здесь

Физики «запустили» электрон-позитронную лавину в Нижнем Новгороде

Российские ученые смоделировали получение электрон-позитронной плазмы экстремально высокой плотности посредством сверхмощного лазерного импульса.
Добавить в закладки
Комментарии

Группа ученых из Института прикладной физики РАН и Нижегородского государственного университета во главе с академиком РАН А.М. Сергеевым показала путь к созданию электрон-позитронной плазмы, по плотности в десятки раз превышающей ту, что считалось возможным получить ранее. Соответствующая статья опубликована в Scientific Reports.

Обычно аннигиляция частицы и античастицы порождает фотон с высокой энергией. Возможен и противоположный процесс, когда из фотона большой энергии в сильном электрическом или магнитном поле рождается пара частиц — электрон и позитрон (антиэлектрон). Правда, для появления реальной пары частиц закон сохранения энергии требует, чтобы ее затраты на этот процесс превышали удвоенную массу частицы. Однако достаточно сильное внешнее поле может обеспечить ввод дополнительной требуемой энергии.

До сих пор эффект рождения электрон-позитронных пар в лабораторных условиях наблюдался в основном при пропускании гамма-излучения сквозь кристаллы, в которых поля необходимой для этого величины уже существуют вблизи атомных ядер. Проблема в том, что параметры такого поля жестко заданы параметрами кристаллов и ими трудно управлять. Высокую плотность рождения пар на кристаллах не получить. Поэтому уже в ближайшие годы ученые планируют создать принципиально новый инструмент, способный «рождать» пару частица-античастица. Речь идет о лазерах, способных генерировать сверхкороткие импульсы мощностью более 10 квадриллионов ватт (петаватт или 10¹⁵ ватт).

В ряде теоретических работ ранее предполагалось, что в фокусе лазерной установки при этом будут рождаться не отдельные пары электронов и антиэлектронов, а целые электрон-позитронные лавины. Рожденные при распаде гамма-фотона пары (электрон и позитрон) будут ускоряться лазерным полем и при наборе энергии излучать новые гамма-фотоны. Те, в свою очередь, будут рождать новые пары электронов и позитронов и так далее. В результате количество частиц в фокусе лазерной установки за очень короткое время должно вырасти до огромных значений — сверхплотной электрон-позитронной плазмы.

Динамика развития неустойчивости в электрон-позитронной плазме. Слева — распределение плотности в начале взаимодействия, в центре — образование нескольких тонких листов, справа — конечный этап эволюции, образование двух листов. Изображение: пресс-служба ННГУ
Динамика развития неустойчивости в электрон-позитронной плазме. Слева — распределение плотности в начале взаимодействия, в центре — образование нескольких тонких листов, справа — конечный этап эволюции, образование двух листов. Изображение: пресс-служба ННГУ

Долгое время вопрос был в том, какую именно предельную плотность плазмы так можно получить. Существовавшие оценки говорили, что концентрация частиц в фокусе лазера будет немногим больше 10²⁴ (септиллиона) на кубический сантиметр. Это сравнимо с наиболее плотными металлами — примерно столько же электронов в кубическом сантиметре платины или золота.

Чтобы прояснить вопрос, авторы новой работы использовали детальное трехмерное моделирование процесса развития электрон-позитронной лавины в сильно сфокусированном лазерном поле. Для этого они использовали моделирование с помощью программного обеспечения PICADOR, разрабатываемого совместно ИПФ РАН и ННГУ. Оказалось, что при определенных условиях плотность частиц в электрон-позитронной плазме, получаемой с помощью лазера, может быть в десятки раз больше септиллиона частиц на кубический сантиметр, то есть в десятки раз выше ожидавшейся.

В моделировании ученые исследовали особую конфигурацию лазерного поля — дипольную фокусировку. Лазерное излучение в этом случае облучает точку фокуса как бы со всех сторон. Именно такая конфигурация является оптимальной с точки зрения мощности излучения, необходимой для наблюдения лавины.

Конфигурация из 12 лазерных пучков, имитирующая сходящуюся дипольную волну. Вдоль оси симметрии из фокуса вылетают пучки электронов и позитронов, а также гамма-фотоны. Изображение: пресс-служба ННГУ
Конфигурация из 12 лазерных пучков, имитирующая сходящуюся дипольную волну. Вдоль оси симметрии из фокуса вылетают пучки электронов и позитронов, а также гамма-фотоны. Изображение: пресс-служба ННГУ

Лавинообразные процессы рождения частиц позволяют развиться в плазме токовой неустойчивости, и в итоге она вырождается в два тонких слоя, ориентированных под случайным углом. Толщина слоев и концентрация частиц в них ограничиваются только случайностью процесса излучения. А это значит, что в ряде случаев плотность плазмы будет иметь экстремальные значения. К сожалению, верхний предел такой плотности трудно установить моделированием. Но точно ясно, что при полном числе частиц порядка 10¹¹ их плотность превзойдет значение 10²⁶ (ста септиллионов) частиц на кубический сантиметр.

Новая работа имеет принципиальное значение для понимания границы возможного для петаваттных сверхмощных лазерных установок будущего. Сегодня их еще не существует, однако их строительство активно обсуждается. Правительство России поддержало проект XCELS по созданию 12-канальной лазерной системы общей мощностью 100 петаватт, хотя его реализация пока и не началась.

Моделирование российских ученых показало, что плазма, порождаемая такими установками, намного плотнее, чем считалось ранее. Это значит, что с ее помощью можно приблизиться к пониманию астрофизических процессов, протекающих в звездах главной последовательности и, возможно, еще более плотных объектах. До сих пор исследователи не располагали такими возможностями на Земле. Вероятно, при этом получится и подробнее изучить процесс рождения элементарных частиц.

Структура поля в дипольной волне. Изображение: пресс-служба ННГУ
Структура поля в дипольной волне. Изображение: пресс-служба ННГУ
Вам понравилась публикация?
Расскажите, что вы думаете, и мы подберем подходящие материалы

Российский источник терагерцового излучения впервые в мире смог разрушить металл

И затратил на это меньше триллионной доли секунды.
Добавить в закладки
Комментарии

Ученые из Объединенного института высоких температур РАН разработали необычный источник терагерцового излучения рекордной мощности. С его помощью им впервые в мировой практике удалось разрушить металлическую пластинку, а также продемонстрировать необычный механизм неразрушающего воздействия, которое такое излучение может оказывать на металлы. Об этом сообщает пресс-релиз Российского научного фонда, поддержавшего исследование.

Физики использовали инфракрасный лазер с мощностью импульса до одного тераватта и временем импульса в одну квадрилионную долю секунды (фемтосекундный лазер, квадриллион — тысяча триллионов). На его основе они создали источник терагерцового излучения. Его волны по своей длине занимают промежуточное положение между инфракрасным излучением и радиоволнами. Такие лучи свободно проходят через бумагу, дерево, пластик и другие материалы, но тормозятся водой и металлом.

В норме электромагнитные волны терагерцового диапазона металл разрушить не могут — уж слишком быстро они в нем затухают. Однако на этот раз экспериментаторы за счет большой мощности терагерцовых импульсов смогли с их помощью создать электромагнитное поле с напряженностью до 100 миллионов вольт на сантиметр длины. Такое напряжение типично для канала бьющей в землю молнии, и на сегодня это вообще рекорд для всех существующих в мире источников терагерцового излучения. Запустив его на полную мощность, физикам удалось проделать сквозное отверстие в тонкой металлической пленке из алюминия. Ранее такого результата с помощью терагерцового излучения никому на металлах показать не удавалось.

Результат действия мощного терагерцового излучения на тонкую металлическую пластину. Фото: Михаил Агранат
Результат действия мощного терагерцового излучения на тонкую металлическую пластину. Фото: Михаил Агранат
[ ... ]
Читать полностью

Кристаллы из Новосибирска сделают российские боевые лазеры мощнее

Среди других перспективных областей приложения таких систем — газоанализаторы для борьбы с террористами и для медицинских исследований.
Добавить в закладки
Комментарии

В Новосибирском государственном университете успешно проведены эксперименты по получению электромагнитных волн с заданными параметрами на кристаллических структурах, полученных из титанил-фосфата калия (KTP). Это первые КТР-структуры, созданные в России, в Уральском федеральном университете. До этого их получали только во Франции, Израиле и Швеции. Они могут использоваться как в диагностике утечек из трубопроводов, так и в ряде военных и медицинских приложений. Об этом сообщает сайт университета.

Нелинейные оптические кристаллы КТР (как правило, по составу близки к КТiOРО4) имеют ценные нелинейно-оптические и электрооптические параметры, позволяющие применять их для электрооптической модуляции (регулирования интенсивности) мощного лазерного излучения. Сегодня для этого часто используются структуры из LiNbO3, но их оптическая стойкость меньше, что снижает параметры лазерных систем на их основе. Помимо этого, структуры из LiNbO3 не позволяют жестко фокусировать излучение накачки, что также негативно отражается на параметрах лазеров на их основе.

Генераторы света на основе периодических структур из KTP работают в средней части инфракрасного диапазона, и поэтому представляют большой практический интерес. Именно в ней находятся полосы поглощения ряда видов взрывчатки и отравляющих веществ. Газоанализаторы на их основе могут быть полезны не только в области борьбы с терроризмом, но и для обнаружения утечек природного газа и жидких углеводородов из трубопроводов. Экспресс-газоанализаторы высокой чувствительности найдут применение и в медицине. Кроме того, высокая мощность лазеров на КТР-структурах в теории может сделать их эффективным решением для военных.

До сих пор КТР-структуры изготавливались только в трех зарубежных странах. В этот раз все — от подложки до самих периодических структур, а также полировка и изготовление антиотражающих поверхностей было сделано в России. Для отечественной промышленности это крайне актуально, поскольку для целого ряда программ — не только в ВПК, но и в продвинутых отраслях медицины — поставка сложных комплектующих из-за рубежа может быть прекращена из-за санкций в любой момент. Следует отметить, что ранее попытки создания КТР-структур в нашей стране предпринимались, но, как отмечают разработчики из НГУ, «ни к чему не привели». Лишь теперь ситуация изменилась. [ ... ]

Читать полностью

В Университете ИТМО физики превратили одиночные волны в конденсат

Это ранее не описанное физическое явление может пригодиться в создании новых систем связи и перспективных лазеров.
Добавить в закладки
Комментарии

Международная группа физиков, среди которых были и исследователи из Университета ИТМО, впервые зарегистрировала переход между двумя принципиально разными состояниями. Одно из них — распространяющийся поляритонный солитон, второе — конденсат Бозе — Эйнштейна. Физики объяснили такой переход и нашли способ управлять им, «переключая» разные состояния материи за счет изменения интенсивности лазерной накачки. Соответствующая статья опубликована в Physical Review Letters.

Поляритоны — это квазичастицы, возникающие при взаимодействии фотонов (электромагнитных волн) с колебаниями тех или иных сред, а солитон — это устойчивая одиночная волна, ведущая себя как частица. Для солитонов характерно сохранение своей структуры даже при очень длительном перемещении в пространстве и взаимодействии с другими возмущениями. Солитоны могут образовываться как результат коллективного возбуждения поляритонов. Наконец, конденсат Бозе — Эйнштейна — это особое агрегатное состояние материи, в котором все частицы переходят в основное квантовое состояние с минимальной энергией и равномерно распределяются по всей системе. Условно, солитон — это волна, распространяющаяся по среде, а конденсат Бозе — Эйнштейна — это когда вся среда ведет себя как одна большая волна.

Авторы новой работы сперва создали модель, с помощью которой рассчитали структуры из полупроводника с точно заданными свойствами — такими, чтобы при обстреле их лазером при температуре в 4 градуса по Кельвину они давали нужное по параметрам световое излучение от образовавшихся поляритонов. Затем такие полупроводниковые структуры были созданы и задействованы в серии экспериментов.

В опытах физики регистрировали испускаемый полупроводниковыми структурами свет, который позволял точно отследить, что именно в них происходит. Оказалось, что при увеличении мощности лазерной накачки в системе запускаются нелинейные эффекты — за счет того, что в ней становится все больше фотонов и порожденных ими поляритонов. Все они начинают взаимодействовать между собой, отчего система и переходит в нелинейный режим. Тогда из отдельных поляритонов образуются их согласованные группы — солитоны, а затем все они переходят в конденсат Бозе — Эйнштейна. [ ... ]

Читать полностью