В России нашли способ выжать из электрона в 100 раз больше энергии
Ученые НИЯУ МИФИ предложили новый тип решетки, взаимодействуя с которой электрон будет излучать в сто раз больше энергии, чем обычно. Результаты исследования опубликованы в научном журнале Physical Review B.
Данное явление представляет собой один из примеров того, что физики называют «связанными состояния электрона в континууме» (ССК), сообщила Hi-Tech Mail.ru пресс-служба университета.
Одно из проявлений ССК — значительное усиление интенсивности излучения быстрых электронов за счет резонансов в излучающей структуре. В 2018 году группа ученых из Америки и Израиля теоретически исследовала излучение, которое возникает при взаимодействии электронов с решетками. Оказалось, что проявление квази-ССК может быть настолько значительным, что электроны сравнительно медленные — нерелятивистские — будут излучать сильнее, чем релятивистские электроны, то есть электроны с высокой энергией, двигающиеся со скоростью, близкой к скорости света. Это необычно, так как принято считать, что чем выше энергия электрона, тем больше он излучает.
Сотрудники лаборатории «Излучение заряженных частиц» НИЯУ МИФИ предложили новый тип решетки, взаимодействуя с которой электрон будет излучать в 100 раз больше энергии, чем обычно.
«Каждый элемент решетки — димер, то есть пара частиц, размер которых много меньше длины волны, на которой наблюдается излучение. Эффект усиления достигается на определенных частотах за счет резонансного взаимодействия между частицами димера. Это и есть проявление квази-ССК. Частицы находятся близко друг к другу и влияют на излучательную способность друг друга. Мы рассчитали характеристики возникающего излучения, а также определили оптимальное расстояние, на котором должны находиться частицы, чтобы наблюдался резонанс на примере конкретной реализуемой структуры», — рассказала ведущий научный сотрудник Дарья Сергеева.
По словам эксперта, для медных сферических частиц это расстояние составило 518 мкм. При таких параметрах на компактном электронном ускорителе с энергией электронного пучка 5–20 МэВ (наподобие тех, что повсеместно используются сегодня в медицинских центрах), можно будет наблюдать усиление излучения почти в 100 раз.
«Если аккуратно оптимизировать параметры решетки, то коэффициент усиления излучения может быть и выше. Однако, здесь есть какая-то загадка: расчеты, проведенные совершенно разными группами и в рамках разных подходов (нами — еще в 2008 году, американцами — в 2018, китайцами — в 2022, снова нами — в 2023 на уже другом типе решетки и усиления), при попытке оценить величину усиления численно сводятся к двум порядкам — то есть примерно в сотню раз! А почему именно в сто, чем на практике выделена эта цифра? Пока это совпадение остается загадкой», — отметила Дарья Сергеева.
В отличие от выполненных иностранными учеными качественных оценок и компьютерного моделирования, разработанная исследователями НИЯУ МИФИ аналитическая теория позволяет провести более аккуратное исследование вопроса о возможном максимальном усилении.
«Дело в том, что у нас есть теперь формулы, детально описывающие эффект усиления. Мы планируем продолжить это исследование в будущем, и впервые реализовать данный эффект усиления нового типа экспериментально. Успех в этих исследованиях откроет новые возможности для разработки новейших источников электромагнитного излучения на основе искусственных материалов (метаматериалов), состоящих из отдельных микрорезонаторов и элементов микро- и наноплазмоники, включая объекты с существенно квантовыми свойствами», — подчеркнула исследователь.
Потенциальная область применения полученных результатов очень широка. Она включает в себя:
- конструирование источников электромагнитного микроволнового излучения, включая малоисследованный, но очень перспективный субмиллиметровый диапазон спектра;
- разработка станций невозмущающей диагностики релятивистских электронных пучков на новейших источниках излучения 4-го поколения (лазеры на свободных электронах, синхротроны, коллайдеры);
- субмиллиметровая интроскопия в промышленных и коммерческих технологиях;
- применение в области электроники (датчики на-чипе), биологических и медицинских исследованиях.
Говоря о возможном прикладном значении новой разработки, эксперт отметила: «Мы говорим про то, что наша решетка позволит повысить энергию излучения. Чем выше энергия, тем глубже может проникнуть излучение в вещество. Поэтому повышать энергию необходимо, если с помощью этого излучения предполагается просвечивать для разных целей (в медицине, биологии, интроскопии и промышленности, системах безопасности) большие объекты или объекты, которые находятся далеко».
