Группа исследователей из нескольких научных центров США разработала и создала в лаборатории прототип лазерного ускорителя с рекордной эффективностью. Устройство размером всего в несколько миллиметров продемонстрировало способность сообщать частицам энергию до 250 мегаэлектронвольт на метр, что в принципе недостижимо на традиционных ускорителях. Подробности приведены в статье исследователей для журнала Nature, а краткое изложение доступно на сайте Стэнфордских национальных ускорительных лабораторий.
Для ускорения электронов физики использовали электромагнитное поле лазерного луча, перпендикулярного вектору ускорения. В обычных условиях попавшая в электромагнитные волны частица будет сначала разгоняться в одну сторону, а потом затормозится и начнет движение в обратном направлении. Чтобы этого избежать, физики создали прозрачный канал переменного сечения — из-за взаимодействия электромагнитного поля с веществом амплитуда волн в нем менялась в зависимости от ширины канала и в узких участках поле оказывалось сильнее, чем в широких.
Подобрав длину широких и узких участков, а также начальную скорость электронов, ученые добились того, что электрон пролетал через узкие участки канала ровно тогда, когда световые волны там разгоняли частицы в нужном направлении. К тому моменту, когда волна доходила до противоположной фазы и начинала тормозить частицы, электрон успевал добраться до широкого фрагмента с меньшей амплитудой поля и поэтому тормозился меньше, чем ускорялся.
В сообщении подчеркивается, что в обычных ускорителях для разгона заряженных частиц обычно используются электромагнитные волны микроволнового диапазона и они принципиально не могут обеспечить набор энергии больше нескольких десятков мегаэлектронвольт на метр. Лазерная технология обеспечивает на порядок большую эффективность, что, по мнению физиков из Стэнфордских национальных ускорительных лабораторий может привести к революции не только в науке, но и технике. Один из разработчиков, Джоэль Инглэнд, уподобляет переход от обычных ускорителей к лазерным переходу от радиоламп к транзисторам. По его словам, такое сравнение правомерно в частности потому, что для изготовления ускоряющих каналов в прозрачном чипе исследователи использовали те же технологии, которые применяются при производстве микросхем.
Компактные ускорители с энергией электронов в десятки или сотни мегаэлектронвольт могут использоваться для генерации рентгеновского излучения с большой энергией и в виде высокосфокусированного когерентного пучка. Такое излучение сейчас активно используется в материаловедении, биологии (для определения кристаллической структуры белков, а также для просвечивания окаменевших ископаемых), однако рентгеновские лазеры для этих задач нередко занимают целые подземные комплексы с длиной туннелей в несколько километров и стоимостью в сотни миллионов долларов. Пучки с меньшей мощностью и меньшей энергией частиц применяются в медицине для облучения злокачественных новообразований.