Ученые из Федерального технологического университета Цюриха (ETH Zurich) и сотрудничающих с ним учреждений достигли прорыва в области нелинейной оптики, создав самый интенсивный искусственный свет в истории. Ключом к успеху стал инновационный метод сжатия светового потока, основанный на явлении, определенном релятивистская генерация гармоникчто позволило добиться интенсивности 1023 Вт на см². Этот результат значительно превосходит предыдущие рекорды и открывает новые перспективы в исследованиях взаимодействия света с веществом в экстремальных условиях.
Новое достижение решает фундаментальную проблему, с которой до сих пор сталкивались дизайнеры и исследователи. Методы, используемые до сих пор для генерации луча чрезвычайной интенсивности, столкнулись с фундаментальными физическими ограничениями. По мере увеличения мощности лазера материал, через который проходит свет, в какой-то момент столкнется с точкой, где он выйдет из строя из-за нагрева или нелинейных явлений, таких как самофокусировка. Чтобы не повредить оптические устройства, исследователям пришлось расширить луч, что, однако, автоматически снизило его интенсивность в фокусе.
Свет многократно сложен в куб
Новый метод, который опубликованное описание является результатом экспериментов исследователей, он решает эту проблему путем динамического манипулирования параметрами луча в реальном времени. Вместо того, чтобы статически сжимать фокальное пятно, он использует последовательность импульсов, которые сжимаются в пространстве и во времени по мере достижения цели. В этом процессе используются специальные отражатели и линзы, способные выдерживать кратковременные экстремальные энергетические нагрузки. Ее ключевым элементом является так называемое «сжатие светового потока» (сжатие светового потока).
Внутри него энергия импульса собирается во все меньшем пространственном объеме за доли секунды. В эксперименте, в котором использовалась лазерная система Gemini, сверхинтенсивные световые импульсы направлялись в сторону плазменного зеркала, движущегося с релятивистской скоростью. При перемещении этого зеркала по направлению к источнику света со скоростью, близкой к скорости света, отраженные фотоны сжимались и усиливались до гораздо более высоких энергий — эффект, аналогичный эффекту Доплера, но в релятивистском масштабе.
Концентрация лазерного луча, пиковая мощность которого достигала значений в петаваттном диапазоне, на площади диаметром всего в несколько микрометров позволила получить плотность мощности, превышающую 1023 Вт/см². Такого уровня интенсивности достаточно, чтобы разрушить структуру квантового вакуума. В теоретической физике предсказывается, что при интенсивностях порядка 1029 Вт/см² (так называемый предел Швингера) вакуум должен стать неустойчивым, что приведет к самопроизвольному созданию пар частиц и античастиц только за счет энергии электромагнитного поля (что, в свою очередь, вытекает из основного предположения, что материя является формой энергии).
Создадим материю — из вакуума
Результат, достигнутый командой ETH Zurich, хотя и все еще ниже этого теоретического предела, в логарифмическом масштабе приближается к нему, чем любой предыдущий эксперимент. Это позволяет изучать явления, которые раньше были доступны только в математических моделях, такие как нелинейные эффекты квантовой электродинамики (КЭД) в сильных полях. Используемая технология исключает необходимость строительства гораздо более крупных и дорогих лазерных установок. Вместо того, чтобы масштабировать устройство, исследователи оптимизировали доставку энергии в точку фокусировки.
Этот метод также масштабируем и может быть адаптирован к существующим лазерным установкам по всему миру, что значительно снижает входной барьер, необходимый для исследований и экспериментов, связанных со светом в экстремальных формах. Реализация этой технологии может ускорить развитие медицинской диагностики на основе источников синхротронного излучения и способствовать прогрессу в области инерционного термоядерного синтеза, где точная доставка энергии имеет решающее значение для процедур инициирования реакций и последующего управления термоядерными реакциями.
Результаты экспериментов также доказывают, что ограничения интенсивности света возникают не из-за нехватки доступной энергии, а из-за неэффективных методов ее концентрации. Новый метод сжатия потока представляет собой фундаментальное изменение в экспериментальной парадигме. Вместо того, чтобы бороться с ограничениями инструментов, ученые научились концентрировать свет, точно синхронизируя импульсы во времени и пространстве. Дальнейшая работа по совершенствованию этого метода может привести к достижению предела Швингера в лабораториях, что позволит напрямую наблюдать за преобразованием энергии света в материю.
