В НИЯУ МИФИ придумали, как заставить электрон излучать в сто 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 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».
Telegram 
Дзен 
VK Ученые давно сделали вывод о том, что в поздней Античности монеты перестали представлять собой цену как валюта, однако не было понятно когда именно это произошло. Новое исследование погребения римского воина из бельгийского форта Оденбург показало, в какой момент монеты стали цениться просто весом металла в кошельке.
Долгое время считалось, что гигантские стрекозообразные, жившие 300 миллионов лет назад, стали такими из‑за высокого содержания кислорода. Тогда в атмосфере его было около 30% вместо сегодняшних 21%. Учёные полагали, что крупные насекомые задохнулись бы в нашей атмосфере. Но оказалось, что это не так.
Большой взрыв мог быть не началом Вселенной, а моментом рождения самой гравитации в привычном нам виде. Новая модель предлагает иную, квантовую форму гравитации, которая могла запустить инфляцию и избавить космологию от проблемы сингулярности, где законы физики перестают работать.
Шведские биологи отследили миграцию обыкновенного соловья с помощью миниатюрных датчиков-рюкзаков. Как оказалось, при пересечении Сахары и Аравийской пустыни птицы летят только по ночам и не ищут пищу. Соловьи преодолевают пустыню без дозаправки, полагаясь лишь на накопленный заранее жир.
Вода из другой звездной системы оказалась не похожа на земную: в составе третьего межзвездного объекта нашли рекордное содержание дейтерия — тяжелого изотопа водорода. Этот химический след указывает на необычные условия формирования системы, где возникла комета, и меняет представления о сценариях рождения далеких планетных систем.
На границе возможностей оптоволокна лазерный пучок самоорганизовывается в мощный, сфокусированный луч-иглу. Параметры этого излучения таковы, что позволяют в реальном времени без дополнительных ухищрений рассматривать клеточные процессы.
В последнее время пуски с российских северных космодромов осуществляют без предварительного уведомления, чего не было в прошлом. Вероятно, дело в недавно упомянутых главой «Роскосмоса» атаках на Плесецк во время пуска. Сегодняшний запуск обеспечил вывод на орбиту космических аппаратов военного назначения.
Четыре человека, летящие к Луне, столкнулись с целым рядом мелких неприятностей — от низкой температуры в начале работы до поломки мочевыводящей системы туалета на вторые сутки и необходимости взамен пользоваться пакетами. К счастью, пока самые крупные сложности удалось компенсировать. Но все они вместе могут сдвинуть ситуацию к решению, о котором Naked Science уже говорил в нашем видеоподкасте о миссии: не исключено, что при высадке астронавтов на Луне их корабль состыкуют со Starship не на окололунной, а уже на околоземной орбите.
Когда международная экспедиционная группа, исследующая море Уэдделла в Антарктиде на борту ледокола «Поларштерн», попыталась укрыться от шторма, ученые и экипаж судна удивились внезапному появлению острова, не обозначенного ни на одной морской карте.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно