Лазерный мир

Если направить мощный лазер на стеклянный образец, в нем образуются электроны, которые будут двигаться со скоростью, превышающей скорость света в среде.

Из-за этого частицы будут испускать черенковское излучение и терять энергию, пока их скорость не упадет ниже скорости света. Группа ученых из Индии, Франции, Великобритании и Швейцарии экспериментально исследовала это явление и показала, что электроны остаются релятивистcкими в течение примерно 50 пикосекунд, что в несколько тысяч раз превышает длительность лазерного импульса.

Один из способов получить «сверхсветовые» электроны предполагает использование сверхмощных фемтосекундных лазеров, которые высвобождают огромное количество энергии за очень короткий промежуток времени.

Лазер создает электроны, движущиеся со скоростью света

Если посветить таким лазером на границу прозрачной среды, образуются электроны, которые будут двигаться со скоростью, близкой к скорости света в вакууме. Из-за огромной скорости эти электроны будут создавать сильные токи плотностью до 1012 ампер на квадратный сантиметр. Несмотря на то, что такие токи исследовались несколькими группами ученых, особенности протекающих процессов до сих пор изучены плохо. В частности, нет надежных экспериментальных измерений «времени торможения» (transit time) таких электронов, то есть времени, в течение которого они излучают электромагнитные волны благодаря эффекту Вавилова-Черенкова, пока не растеряют свою энергию.

Команда эксперимента

Группа ученых под руководством Равиндры Кумара (Ravindra Kumar) измерила это время, наблюдая за эволюцией черенковского излучения с помощью оптического эффекта Керра. Для этого они сфокусировали титан-сапфировый лазер мощностью около ста тераватт и длительностью импульса около 25 фемтосекунд в узкое пятно на поверхности стеклянного образца (стекло BK7, показатель преломления n = 1,5), зажатого между пластинками алюминиевой фольги. Под действием импульса в образце образовались быстрые электроны, которые стали испускать черенковское излучение.

Схема экспериментальной установки: генерация электронов и черенковского излучения (a), траектории электронов в толще стекла (b), регистрация излучения (c)
M. Shaikh et al. / Phys. Rev. Lett.

Оказалось, что интенсивность черенковского излучения быстрых электронов зависит от толщины стеклянного образца и от времени, прошедшего после лазерного импульса. Зависимость от толщины объяснить несложно. Во время импульса образуется большое число электронов, имеющих разную энергию и подчиняющихся распределению Максвелла. Если пластинка недостаточно толстая, быстрые электроны практически сразу выскакивают из нее и не успевают внести существенный вклад в излучение, а более медленные теряют энергию из-за столкновений с частицами среды, их скорость падает ниже скорости света, и они перестают излучать.

Результаты исследования

В результате суммарная длительность излучения в эксперименте составила примерно 120 пикосекунд, что почти в пять тысяч раз больше, чем длительность лазерного импульса, во время которого образуются электроны. Впрочем, «время торможения», то есть промежуток, после которого все электроны перестают излучать, физики оценили 50 пикосекундами — оставшаяся часть зависимости набирается из-за переотражений света внутри образца.

ФизикаФизики смогли 17:59 08 Фев. 2018 Сложность 6.6
Физики измерили время торможения «сверхсветовых» электронов
Черенковское излучение электронов, которые образуются при загрузке атомного реактора в национальной лаборатории Ок-Ридж
Genevieve Martin / ORNL

По словам авторов, в дальнейшем разработанный ими метод позволит измерить распределение по энергиям электронов, образующихся во время лазерного импульса.

В октябре прошлого года мы писали, как российские ученые из Института прикладной физики РАН нагрели с помощью мощного лазера алюминий до трех миллионов градусов Цельсия, сохранив при этом его плотность. В том же месяце ученые из Ливерморской национальной лаборатории показали, как можно объединить нескольких мощных лазерных пучков в плазме в один.

Читать далее: https://nplus1.ru/news/2018/02/08/time-cherenkov