В течение двух десятилетий физики стремились миниатюризировать ускорители частиц — огромные машины, которые служат сокрушителями атомов. Эти усилия сделали большой шаг вперед, благодаря китайским исследователям, которые разработали так называемый лазер на свободных электронах (ЛСЭ). Устройство заметно хуже своих предшественников. Вот только его длина всего 12 метров, что в сравнении с несколькими километрами своих альтернатив — ничтожно мала.

«Многие ученые восторгаются этим проектом», — говорит Йерун ван Тилборг, физик лазерной плазмы из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли, который не принимал участия в работе. Ке Фэн, физик из Шанхайского института оптики и точной механики (SIOM), работавший над новым ЛСЭ, не утверждает, что он готов к применению. «Наша цель — сделать такие устройства полезными и миниатюрными, — говорит Фэн, — но предстоит еще много работы».

Ускорители элементарных частиц служат помощником для многих научных открытий. Однако современные модели слишком велики, да и стоимость их постройки оценивается в миллиарды долларов и более. Это потому, что в обычном ускорителе заряженные частицы, такие как электроны, могут очень быстро набирать энергию. Сгруппированные в компактные сгустки, частицы проникают через вакуумную трубу и проходят через полости, которые резонируют с микроволнами. Подобно тому, как океанская волна толкает серфера, эти микроволны толкают электроны и увеличивают их энергию. Однако, если колеблющееся электрическое поле в микроволнах станет слишком сильным, оно вызовет опасные искры. Таким образом, частицы могут получить максимум около 100 мегаэлектронвольт (МэВ) энергии на метр полости.

Чтобы ускорять частицы на более короткие расстояния, физикам нужны более сильные электрические поля. Запуск импульса лазерного света в газ, такой как гелий, — один из способов их генерации. Свет отрывает электроны от атомов, создавая цунами ионизации, которое движется через газ, за которым следует волна колеблющихся электронов, которая создает чрезвычайно сильное электрическое поле. Это кильватерное поле может собирать электроны и ускорять их до 1000 МэВ всего за несколько сантиметров.

Физики, надеющиеся использовать кильватерные следы, показали, что они могут генерировать очень короткие и интенсивные выбросы электронов. Но внутри вспышки энергии этих электронов обычно изменяются на несколько процентов, что слишком много для большинства практических приложений. Теперь физик SIOM Вентао Ван, Фэн и его коллеги улучшили мощность своего плазменного ускорителя кильватерного поля настолько, чтобы сделать с ним что-то потенциально полезное: подать питание на ЛСЭ.

В ЛСЭ физики запускают электроны по вакуумной трубе и через линейные устройства, называемые ондуляторами. Внутри ондулятора небольшие магниты над и под лучевой трубой выстроились в линию, как зубцы, с северными полюсами соседних магнитов, чередующимися вверх и вниз. Когда электроны проходят через ондуляторы, колеблющееся магнитное поле трясет их взад и вперед, заставляя их излучать свет. По мере того, как свет накапливается и распространяется вместе со сгустком электронов, он отталкивает электроны и разделяет их на подгруппы, которые затем излучают вместе, чтобы усилить свет в лазерный луч.

Первый в мире рентгеновский лазер, Linac Coherent Light Source (LCLS), представленный в 2009 году в Национальной ускорительной лаборатории SLAC, представляет собой FEL, работающий на знаменитом трехкилометровом линейном ускорителе лаборатории. Исследователи из Европы и Японии также построили большие рентгеновские ЛСЭ. Но, пропустив пучок электронов из своего плазменного ускорителя кильватерного поля через цепочку из трех ондуляторов длиной 1,5 метра, команда SIOM сделала ЛСЭ достаточно маленьким, чтобы поместиться в длинной комнате.

Чтобы это стало возможным, физикам SIOM пришлось сократить разброс энергий электронов до 0,5%. Им удалось оптимизировать лазер и газовую мишень, чтобы лучше контролировать ускорение электронов, более плавно отправляя их по вакуумной трубе, говорит Ван. По словам ван Тилборга, команды в США и Европе исследовали более сложные схемы фильтрации электронов определенной энергии, но команда SIOM выбрала более простой подход. «Все просто немного лучше оптимизировано», — говорит он.

Другие раньше использовали плазменные ускорители кильватерного поля для вывода света из ондуляторов. Но Ван и его коллеги продемонстрировали усиление, показав, что интенсивность света в третьем ондуляторе увеличивается в 100 раз, как они сообщили на прошлой неделе в Nature.

«Это огромный шаг вперед», — говорит Агостино Маринелли, физик-ускоритель SLAC.

Крошечный ЛСЭ заметно отличается от своих альтернатив, которые производят лучи во много раз ярче, нежели другие источники рентгеновского излучения, с разбросом энергии всего 0,1%. Новое устройство производит гораздо более слабые импульсы более длинноволнового ультрафиолетового света с разбросом энергии 2%. Исследователи SLAC также модернизируют LCLS для получения миллионов импульсов в секунду; новый FEL может производить пять импульсов в секунду.

По прогнозам Маринелли, получение с помощью этого устройства длин волн рентгеновского излучения будет затруднено. «Это очень впечатляющие результаты, но я бы очень осторожно экстраполировал их на энергию рентгеновских лучей», — тем не менее, команда SIOM заявляет, что это ее цель. «Трудно сказать, сколько времени потребуется, чтобы достичь длин волн жесткого рентгеновского излучения, может быть, десятилетие или дольше», — говорит Руксин Ли, физик SIOM и член группы. «Мы с нетерпением ждем этого дня».