Лазерный мир

Мощнейший лазер, яркость которого примерно в миллиард раз выше яркости Солнца, помог американским физикам увидеть, как один электрон сталкивается с тысячами частиц света, и раскрыть необычный характер их взаимодействия друг с другом, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature Photonics.

© Иллюстрация РИА Новости . Алина Полянина

High-order multiphoton Thomson scattering
Electron–photon scattering, or Thomson scattering, is one of the most fundamental mechanisms in electrodynamics, underlying laboratory and astrophysical sources of high-energy X-rays. After a century of studies, it is only recently that sufficiently high electromagnetic field strengths have been available to experimentally study the nonlinear regime of Thomson scattering in the laboratory. Making use of a high-power laser and a laser-driven electron accelerator, we made the first measurements of high-order multiphoton scattering, in which more than 500 near-infrared laser photons were scattered by a single electron into a single X-ray photon. Both the electron motion and the scattered photons were found to depend nonlinearly on field strength. The observed angular distribution of scattered X-rays permits independent measurement of absolute intensity, in situ, during interactions of ultra-intense laser light with free electrons. Furthermore, the experiment’s potential to generate attosecond-duration hard X-ray pulses can enable the study of ultrafast nuclear dynamics.
https://www.nature.com/nphoton/journal/vaop/ncurrent/full/nphoton.2017.100.html

«Когда мы имеем дело со сверхъяркими лазерами, рассеяние света — фундаментальный процесс, благодаря которому мы видим окружающий мир, — кардинальным образом меняется. Эти изменения можно представить как то, если бы форма предметов менялась при повышении или понижении яркости лампочки. Объект не просто будет становиться ярче или темнее — свет начнет отражаться под разными углами, с разными цветами при изменении яркости», — рассказывает Дональд Умштедтер (Donald Umstadter) из университета Небраски в Линкольне (США).
Как правило, столкновение фотона и электрона приводит к тому, что фотон отскакивает и начинает двигаться в противоположном направлении, не меняя своей частоты и других физических свойств. Работоспособность этого правила, которое физики называют томсоновским рассеянием, ученые многократно подтверждали, наблюдая за процессами в космосе и во время лабораторных опытов, где одиночные частицы света сталкивались с изолированными электронами.

Умштедтер и его коллеги решили проверить, что произойдет, если столкнуть один электрон с сотнями или тысячами частиц света, которые врежутся в него одновременно. Реализация этой задачи не так проста, как может показаться изначально: и фотон, и электрон являются сверхмалыми частицами, столкновение которых является крайне маловероятной ситуацией.
К примеру, при освещении комнаты лампочкой или в других нормальных условиях электрон сталкивается с частицей света лишь один раз в четыре часа, и фактически никогда не встречается с двумя и более фотонами одновременно.

Для решения этой проблемы ученые использовали сверхмощный лазер Diocles, способный вырабатывать импульсы мощностью в 100 тераватт. После первых экспериментов Умштедтеру и его коллегам пришлось начать использовать пучки разогнанных электронов, так как мощные импульсы лазера в буквальном смысле «сдували» частицы, стоящие на месте.

Опыты показали, что поведение и электронов, и фотонов резким образом меняется в таких условиях. Носители электрического заряда превращаются из точек в своеобразные «восьмерки» и «петли», а фотоны начинают «нарушать» законы физики и отражаться от электронов не так, как предсказывает теория Томсона. К примеру, угол отражения фотонов, их частота и некоторые другие параметры начинают зависеть от того, насколько ярким был импульс, содержавший их.
Более того, необычное поведение электронов в таких ситуациях позволяет использовать их для «склеивания» большого числа низкоэнергетических частиц света в один высокоэнергетический фотон. Для демонстрации ученые соединили 500 частиц света из инфракрасного диапазона в один рентгеновский фотон.

Используя этот эффект, физики получили четкие трехмерные фотографии чипов памяти из обычной USB-флешки, не задействуя при этом сверхмощные ускорители частиц, которые обычно применяются для подобных целей. Эту же технологию, как считает Умштедтер, можно применять и для медицинских экспериментов и наблюдений, а также для точного измерения мощности лазерных лучей.

РИА Новости https://ria.ru/science/20170626/1497316043.html