Учёные из Японии совершили значительный шаг в создании компактных ускорителей частиц, впервые продемонстрировав усиление лазера на свободных электронах в экстремальном ультрафиолетовом диапазоне волн длиной 27–50 нм. Этот эффект был достигнут за счёт применения кильватерного ускорения, вызванного лазерным импульсом в плазме, на участке всего в несколько миллиметров.
В исследовании участвовали специалисты из Института научных и промышленных исследований Университета Осаки (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). Сегодня традиционные ускорители электронов, используемые в синхротронах, достигают размеров в сотни метров и более, например, российский ускоритель СКИФ под Новосибирском имеет кольцо длиной около полукилометра. Такие масштабные установки доступны лишь ограниченному числу исследовательских коллективов.
Новые компактные ускорители обещают изменить ситуацию, сделав высокоточные исследования доступными даже для небольших лабораторий. Ускорители электронов важны как источники вторичного рентгеновского излучения, а успешный эксперимент с ультрафиолетовым диапазоном — важный шаг к созданию рентгеновских лазеров с более короткой длиной волны и повышенной энергией. Это позволит получать изображения с атомарным разрешением, что имеет огромное значение для изучения структуры материалов и биологических объектов.
Ключевым достижением стало получение стабильных моноэнергетических пучков электронов высокой энергии. Это стало возможным благодаря оптимизированной форме лазерного импульса, улучшающей фокусировку, и специально разработанным сверхзвуковым газовым соплам, обеспечивающим устойчивость плазменных фронтов. Использование плазменных полей, которые в тысячу раз мощнее традиционных, позволило сократить длину ускорения с сотен метров до нескольких миллиметров.
Метод заключается в фокусировке мощного лазерного импульса на сверхзвуковую газовую струю, создающую плазму и формирующую волны, ускоряющие электроны почти до скорости света. Затем пучок электронов направляется в ондулятор — магнитную структуру, где электроны колеблются и излучают когерентный лазерный свет. Повышение стабильности плазмы устранило проблемы с нестабильностью ускорения.
Это открытие приближает создание компактных рентгеновских лазеров на свободных электронах, способных генерировать излучение яркостью в 10 миллиардов раз превышающей солнечную и импульсы длительностью в фемтосекунды. Такие устройства могут произвести революцию в биологии, материаловедении, микроэлектронике и квантовых технологиях, открывая новые горизонты для научных исследований в обычных лабораторных условиях.