Японские учёные создали компактный ускоритель частиц с мощным лазером

Группа японских учёных впервые достигла увеличения мощности лазера на свободных электронах в экстремальном ультрафиолетовом диапазоне 27–50 нм, используя кильватерное ускорение в плазме на участке всего в несколько миллиметров. Это открывает путь к созданию компактных настольных ускорителей частиц.

• Эксперимент проведён на базе нескольких японских научных институтов, включая Университет Осаки и RIKEN.
• Ускорение электронов происходит за счёт мощного лазерного импульса, сфокусированного на сверхзвуковую газовую струю.
• Достижена стабильность моноэнергетических электронных пучков высокой энергии.
• Компактный ускоритель сокращает длину пути с сотен метров до миллиметров.
• Результат позволит создавать настольные рентгеновские лазеры с яркостью, превышающей солнечную в 10 миллиардов раз.
• Технология обещает прорыв в биологии, материаловедении и квантовых технологиях.

Суть технологии и научное значение

В основе метода лежит кильватерное ускорение, где мощный лазерный импульс фокусируется на сверхзвуковую газовую струю, создавая плазму. В ней образуются волны, ускоряющие электроны почти до скорости света. Эти электроны проходят через ондулятор — магнитную структуру, которая заставляет их колебаться и излучать когерентный лазерный свет в экстремальном ультрафиолетовом диапазоне.

Главным достижением стало обеспечение стабильности плазменной среды, что позволило избежать неконтролируемых колебаний и получить высокоэнергетические моноэнергетические пучки. Это резко сокращает размер и стоимость ускорителей, которые традиционно занимают сотни метров в длину, до компактных установок, которые могут быть размещены даже в небольших лабораториях.

Перспективы и применение компактных ускорителей

Компактные настольные ускорители откроют новые возможности для исследователей по всему миру. Благодаря более короткой длине волны и высокой энергии излучения увеличится разрешающая способность рентгеновских лазеров, что позволит детально изучать атомарную структуру материалов и биологических клеток.

Такое оборудование станет мощным инструментом для биологии, материаловедения, разработки новых полупроводников и квантовых технологий. Яркость излучения в 10 миллиардов раз превышающая солнечную, а также фемтосекундная длительность импульсов обеспечат непревзойдённую точность и скорость исследований.

1. Разработка усовершенствованной формы лазерного импульса для точной фокусировки.
2. Создание сверхзвуковых газовых сопел для стабильного формирования плазмы.
3. Демонстрация кильватерного ускорения электронов на миллиметровом участке.
4. Получение моноэнергетических электронных пучков высокой энергии.
5. Генерация когерентного экстремально ультрафиолетового излучения.