Ученые-физики из университета Стратклайда разработали технологию и создали опытную установку, позволяющие вырабатывать самые короткие на сегодняшний день сгустки свободных электронов. Эти свободные электроны производятся при помощи мощного лазерного импульса, фокусируемого на острие пламени сверхзвуковой плазменной горелки, в состав газа которой входит гелий. Получившиеся электронные «пули» имеют длину в 300 раз меньше толщины человеческого волоса и движутся они со скоростью, очень близкой к скорости света. Следует отметить, что длина получаемых таким образом электронных сгустков в 10 раз меньше, нежели длина подобных сгустков, получаемых при помощи традиционных ускорителей частиц.

Ученые из университета Стратклайда проводят исследования, конечной целью которых является практическое использование плазмы, формы материи, на долю которой приходится большая часть от всей материи во Вселенной. Эта работа также является частью проекта ALPHA-X (Advanced Laser-based Accelerators towards X-rays), в рамках которого ведется разработка аттосекундного источника рентгеновского излучения, который может уместиться на поверхности обычного рабочего стола.

«Плазма представляет собой материю в «разобранном» состоянии, которая состоит из положительно заряженных ионов и очень легких и подвижных свободных электронов, которые достаточно хорошо реагируют на воздействие лазерным светом» — рассказывает профессор Дино Яросзынский (Prof. Dino Jaroszynski), — «Наша новая разработка базируется на более ранних результатах реализации проекта ALPHA-X, в рамках которого нам удалось при помощи света лазера возбудить плазменные волны, которые, в свою очередь, позволяют разогнать свободные электроны до высокой энергии так же, как и обычная волна позволяет ускориться серфингисту, отдавая ему часть своей энергии».

Одной из главных трудностей, с которой пришлось столкнуться группе профессора Яросзынского, стало измерение длины вырабатываемых лазерным плазменным ускорителем сгустков электронов. Измерение было проведено при помощи тонкой алюминиевой фольги, через которую проходили сгустки электронов, порождая импульсы вторичного CTR-излучения (Coherent Transition Radiation). Это излучение возникает тогда, когда электроны из фольги «пинают» электрическое поле пролетающего мимо сгустка свободных электронов.

Измерив длину вырабатываемых сгустков, ученые были сильно озадачены, ведь она оказалась существенно меньше ожидаемого ими результата. Проведя дополнительные исследования и теоретические расчеты, ученые выяснили причины возникновения этого феномена. Все дело оказалось в используемой технологии «впрыска» электронов в плазменный ускоритель, которая, за счет некоторых физических эффектов, обуславливает ускорение лишь небольшой группы электронов из общего количества.

«Такое необычное взаимодействие материи и лазерного света дает нам возможность создать весьма компактные ускорители и источники рентгеновского излучения, способные вырабатывать импульсы, длительность в десятки и единицы аттосекунд» — рассказывает профессор Яросзынский, — «Такие источники будут весьма полезными и для ученых, и для промышленного сектора, позволяя исследовать структуру различных материалов в шкале времени, соответствующей времени вибрации молекул и движения электронов. И такой инструмент окажет очень сильное влияние на дальнейшее развитие науки и техники».