В НИЯУ МИФИ придумали, как заставить электрон излучать в сто раз больше энергии

Результаты исследования опубликованы в высокорейтинговом научном журнале Physical Review B. Если электрон или волна распространяется в свободном пространстве, то их энергия может изменяться непрерывно. В таком случае говорят, что состояние (электрона или волны) принадлежит континууму. Если энергия меняется дискретно, например, энергия волны в резонаторе или энергия электрона в атоме, то говорят, что реализуется связанное состояние.

Обычно области значений энергии из континуума и дискретного спектра не пересекаются. Однако в 1929 году фон Нейман и Вигнер показали, что в квантовой механике можно выбрать форму потенциала так, чтобы энергия связанных состояний лежала в области непрерывного спектра. Другими словами, связанные состояния находятся внутри запрещенной для них зоны. Такие состояния назвали «связанными состояниями в континууме» (ССК).

Идеальные ССК не затухают, не могут излучать или поглощать какие-либо волны и, вообще говоря, не могут наблюдаться. Однако неидеальные ССК – квази-ССК – наблюдаться могут. Такие состояния могут реализоваться в квантовой механике, в фотонике и плазмонике, включая физику излучений заряженных частиц. Квази-ССК фактически представляют собой резонансы, которые можно представить себе как очень узкие и очень высокие пики, и в таком качестве находят применение в самых современных исследованиях в области фотоники и плазмоники.

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 исследовали излучение, которое возникает при взаимодействии электронов с решетками. Ученые показали, 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» ИНТЭЛ НИЯУ МИФИ предложили новый тип решетки, взаимодействуя с которой электрон будет излучать в сто 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 ее словам, 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, сообщила она.

«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. Это конструирование источников электромагнитного микроволнового излучения, включая малоисследованный, но очень перспективный субмиллиметровый диапазон спектра; разработка станций невозмущающей диагностики релятивистских электронных пучков на новейших источниках излучения четвертого поколения (лазеры на свободных электронах, синхротроны, коллайдеры); субмиллиметровая интроскопия в промышленных и коммерческих технологиях; применение в области электроники (датчики на-чипе), в биологических и медицинских исследованиях.

Исследования выполнены в рамках программы «Приоритет-2030», подпроект «Терагерцовая фотоника на основе метаматериалов и наноплазмоники» в рамках проекта ИНТЭЛ «Радиофотоника и квантовая сенсорика». Говоря о возможном прикладном значении новой разработки, Дарья Сергеева 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».