На сайте Phys.org размещена статья "Ice-cold electron beams for ultra-compact X-ray lasers" - "Ледяные электронные пучки для ультракомпактных рентгеновских лазеров".

Ледяные электронные пучки, смоделированные в ходе исследований в Университете Стратклайда (University of Strathclyde), могут проложить путь к уменьшению размеров рентгеновских лазеров на свободных электронах (X-FEL) до части их нынешних размеров.

X-FEL преобразуют кинетическую энергию электронного луча в мощные фотонные импульсы, вплоть до длин волн жесткого рентгеновского излучения, и их часто называют «двигателями открытий». X-FEL используются для создания экстремальных условий для исследований горячих и плотных веществ, для изучения свойств материалов для микрочипов следующего поколения, для определения структуры сложных биомолекул для новых лекарств и многих других приложений.

В основе лазеров на свободных электронах (ЛСЭ или Free Electron Laser - FEL) лежат электронные пучки, колеблющиеся внутри устройства, известного как ондулятор, с переменным магнитным полем. В результате качающегося движения электронный пучок испускает всплески фотонов, а эффект положительной обратной связи структурирует электронный пучок в микросгустки на длине волны излучения. Следовательно, мощность излучения экспоненциально растет вдоль ондулятора и становится высококогерентной.

Этот эффект самоорганизации может иметь место только в том случае, если электронный пучок имеет высокое качество при релятивистских энергиях. Однако, чтобы соответствовать строгим требованиям к качеству электронного пучка, современные X-FEL представляют собой точно настроенные машины километрового масштаба, стоимость которых достигает миллиарда фунтов стерлингов. Следовательно, во всем мире существует лишь несколько установок X-FEL, а в Великобритании пока нет ни одной.

Исследование ученых Strathclyde показывает, с помощью высокоточного моделирования от начала до конца, что плазменный ускоритель Уэйкфилда (Plasma Wakefield Accelerator - PWFA), оснащенный усовершенствованным методом инжекции электронов - «троянским конем», называемым плазменным фотокатодом, может производить электронные лучи в 100 000 раз ярче, чем существующие. Это происходит из-за низкого распределения импульса, создающего чрезвычайно холодные электронные пучки.

PWFA также имеет ускоряющее электрическое поле мощностью от десятков до сотен гигавольт на метр, что позволяет реализовать ускоритель в сантиметровом масштабе по сравнению с километровыми масштабами традиционных ускорителей.

Ученые изучили, как извлекать, транспортировать, изолировать и вводить ледяные электронные пучки сверхвысокой яркости из плазменного фотокатода PWFA в ондулятор без потери заряда и качества, пока они остаются холодными и не «тают». Сфокусированный в ондулятор электронный пучок сверхвысокого качества производит мощные когерентные фотонные импульсы, подобные лазеру, с длительностью импульса в аттосекундном режиме (1 × 10^–18 секунды). В дополнение к исключительному качеству электронных и результирующих фотонных импульсов вся система может иметь пространственный след всего в несколько десятков метров, в отличие от современных машин X-FEL километрового размера.

Ученые, работающие над исследованием, считают, что три вехи, достигнутые в исследовании, могут стать воротами к созданию сверхкомпактного X-FEL следующего поколения. Исследование было опубликовано в свободном доступе в журнале Nature Communications и является частью общенационального проекта Великобритании X-FEL:

A. F. Habib et al, Attosecond-Angstrom free-electron-laser towards the cold beam limit, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-36592-z.