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 из МФТИ и ИППИ РАН выяснили, что у квантовых полей вблизи черных дыр (или ускоренно расширяющейся Вселенной) есть «порог нагрева». До этого порога чем выше температура, тем быстрее поле «забывает» свое прошлое. А выше порога нагрев уже не помогает: скорость забывания становится постоянной и определяется не температурой, а самой формой пространства (например, размером горизонта).
Ученые создали математическую модель, которая показала вероятную гибель древнего спутника Венеры из-за гравитационных сил. Теоретическое исследование предлагает один из сценариев развития Солнечной системы, чтобы понять причины кардинальных различий в эволюции Земли и ее соседки.
Исследователи из МФТИ и Объединенного института высоких температур РАН определили, при каких условиях квазиклассические модели водородной плазмы начинают давать нефизичные результаты. Ученые показали, что при достаточно сильном взаимодействии частиц такие модели перестают правильно учитывать квантовые эффекты, связанные с принципом Паули. В результате в расчетах возникают нефизичные электрон-ионные кластеры, а моделируемая система теряет устойчивость.
Госдолг США достиг 40 триллионов долларов и растет все быстрее и быстрее. На Западе переполох: при таких размерах его не выплатить. Следовательно, полагают многие, надо решить проблему как древние шумеры — долг обнулить и начать занимать заново. Рецепт кажется здравым, но есть нюансы. Причем поучительнее всего они даже не для Штатов, а, как ни странно, именно для России.
Группа российских исследователей, в которую вошли океанологи Санкт-Петербургского университета, выявила существование ранее неизвестных механизмов распространения «волн Россби». В ходе работы им удалось зафиксировать точки, где перенос энергии прекращается, а траектории движения воды претерпевают изменения. Дополнительно ученые обнаружили асимметрию в динамике волновых процессов, зарождающихся у западных и восточных прибрежных течений.
Международная группа физиков зафиксировала под землей в США аномальный всплеск энергии, похожий на прямое столкновение невидимой частицы темной материи с обычным веществом. Подземные датчики поймали сигнал, который не удалось списать ни на один из известных науке видов радиации или фоновых помех.
Американская компания Firebird официально запустила в городе Раздан крупный центр обработки данных и фабрику искусственного интеллекта. На сегодняшний день это самый масштабный технологический хаб подобного уровня в СНГ, а после завершения всех этапов строительства он войдет в пятерку самых мощных вычислительных кластеров в мире.
Сопротивление жителей Европы самой идее употребления насекомых в пищу может иметь эволюционные корни, уходящие вглубь тысячелетий, пришли к выводу авторы нового исследования. Оказалось, предки современных европейцев ели насекомых лишь эпизодически. Кроме того, из-за генетических мутаций они плохо переваривали их экзоскелеты.
После сокращения длины очередей и роста доступности бензина в первую неделю августа ситуация снова ухудшилась. Если с 20 июня по начало августа кризис носил в основном психологический характер, то сейчас ситуация принципиально иная: августовские атаки на НПЗ показали, что меры по усилению их противовоздушной обороны не были достаточно полными. Значит, прогноз автора Naked Science от 19 июля о том, что острая фаза кризиса закончится до конца лета, был частично неверным.
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