Ученые открыли новый путь к достижению экстремально высокой интенсивности света
Учёные из Оксфордского университета и Королевского университета Белфаста в Великобритании продемонстрировали возможность создания чрезвычайно интенсивных световых пучков с помощью нелинейного оптического метода, известного как релятивистская генерация гармоник. По словам исследователей, эта технология открывает путь к получению электромагнитных полей такой мощности, которая ранее считалась недостижимой даже в лабораторных условиях.
Исследователи отмечают, что развитие квантовой физики материалов уже привело к появлению квантовых сенсоров и вычислительных систем, однако подобные эксперименты также помогают глубже понять фундаментальные свойства Вселенной. Особый интерес для физиков представляет квантовая электродинамика — теория, согласно которой свет экстремально высокой интенсивности способен взаимодействовать с вакуумом и превращаться в материю. Проверка этой теории долгое время оставалась невозможной из-за того, что требуемая интенсивность света примерно в миллион раз превышает возможности самых мощных современных лазеров.
Команда под руководством профессора инерциальной физики Оксфордского университета Питера Норрейса использовала лазерную установку Gemini Laser в Центральной лазерной лаборатории для генерации когерентных фотонов экстремального ультрафиолетового и рентгеновского диапазонов при помощи релятивистской генерации гармоник.
Во время эксперимента учёные направляли высокочастотные сверхкороткие лазерные импульсы на твёрдую стеклянную мишень с субпикосекундной скоростью, то есть на временных масштабах порядка 10^-12 секунды. В результате образовывалась плазма, которая вела себя как колеблющееся зеркало. Когда последующие лазерные импульсы сталкивались с этой плазмой, возникал эффект, сравнимый с отражением света от зеркала, движущегося навстречу почти со скоростью света. Этот феномен исследователи называют «летающим зеркалом Эйнштейна».
Такой процесс позволяет сжимать отражённый свет и резко увеличивать его интенсивность. Совместно с коллегами из Королевского университета Белфаста исследователи смогли сфокусировать полученный свет в область шириной всего несколько нанометров с помощью метода когерентной гармонической фокусировки.
Напрямую измерить мощность полученного луча учёные пока не смогли, однако теоретические расчёты показывают, что интенсивность лазера могла достигнуть 10^23 ватт на квадратный сантиметр. По словам постдокторанта Оксфордского университета Роббина Тиммиса, энергия нового экстремального ультрафиолетового пучка оказалась более чем на три порядка выше по яркости по сравнению с предыдущими измерениями. Исследователь отметил, что команде удалось устранить давнее расхождение между теоретическими прогнозами и экспериментальными результатами, подтвердив возможность создания когерентной гармонической фокусировки и значительного усиления интенсивности по сравнению с исходным лазерным импульсом.
Авторы работы считают, что проведённые эксперименты демонстрируют реалистичный путь к созданию экстремальных электромагнитных полей для лабораторных исследований. По их мнению, предложенный метод способен преодолеть предел Швингера, превышающий 10^16 вольт на сантиметр или 10^29 ватт на квадратный сантиметр. Достижение таких параметров позволит проводить оптические исследования квантового вакуума.
Кроме фундаментальной физики, технология может найти применение в сверхбыстрой визуализации физических и биологических систем, фотолитографии и исследованиях в области термоядерного синтеза. Сейчас команда продолжает анализировать данные последующих экспериментов, чтобы определить дальнейшие шаги работы.
Роббин Тиммис также сообщил, что в ближайшее время учёные планируют опубликовать результаты, посвящённые новому гармоническому пучку, обнаруженному в ходе экспериментов. Будущие исследования будут направлены на активное управление когерентной гармонической фокусировкой и прямое измерение её интенсивности.
Исследование в журнале Nature.