Параметры передовых мировых установок позволяют создать в лабораторных условиях аналог релятивистской астрофизической плазмы. Уровни возникающих при этом электромагнитных полей не могут быть достигнуты даже при взрывах сверхновых звезд во Вселенной. Исследования, проводимые в Совместной лаборатории релятивистской лазерной плазмы (ФИАН-МГУ), осуществляются на стыке лазерной физики, физики плазмы, физики высоких энергий, астрофизики, ядерной физики и радиационной медицины. Результаты этого совместного проекта ФИАН-МГУ могут быть использованы не только при решении фундаментальных проблем, но и в целом ряде задач прикладного характера, в том числе, в медицине, биологии, материаловедении, микроэлектронике.

С появлением компактных сверхмощных лазерных установок появилась возможность создавать сверхсильные электрические поля, способные ускорять заряженные частицы с темпом ускорения, намного превосходящим уровень, который может быть достигнут на самых передовых ускорителях, включая самую крупную экспериментальную установку в мире – Большой адронный коллайдер.

Сотрудниками Совместной лаборатории релятивисткой лазерной плазмы под руководством главного научного сотрудника ФИАН В.Ю. Быченкова и проф. МГУ А.Б. Савельева-Трофимова был предложен ряд идей, касающихся оптимизации условий взаимодействия лазерного излучения с веществом с целью создания компактного лазерного ускорителя частиц. Была предложена схема создания компактного источника жесткого рентгеновского излучения. Энергии ускоренных электронов в этих условиях становятся релятивистскими, размеры объектов, которые облучает лазер, часто не превышают одного микрона, что фактически означает появление нового научного направления, получившего название «релятивистская наноплазмоника».

В рамках этой тематики сотрудниками Лаборатории были получены результаты, демонстрирующие существенное повышение выхода рентгеновского излучения и энергии его фотонов при облучении лазером ультракороткой длительности (с длительностью импульса излучения всего 30 фс) поверхности мишени из жидкого металла (галлия). Мишень предварительно подвергалась воздействию такого же короткого, но малоинтенсивного, лазерного импульса – предшественника.

Для объяснения этого эффекта была выдвинута гипотеза о том, что он связан с существенными изменениями свойств мишени под действием предвестника (предымпульса), который опережает основной импульс на 12 псек. Как показали оптические исследования, в результате воздействия предымпульса, на поверхности мишени формируются плотные плазменные струи микронного размера.

Параллельно этим экспериментам была разработана теоретическая модель и проведены численные расчеты, которые позволили объяснить полученные результаты, заключающиеся в следующем. Взаимодействие основного импульса с плотными микроструями плазмы галлия приводит к почти 100-кратному увеличению выхода жесткого рентгеновского излучения. Энергия гамма – квантов рентгеновского излучения возрастает в несколько раз по сравнению со случаем взаимодействия лазера с невозмущенной поверхностью мишени (см. рис. ниже).

Рис. 1.

Трехмерное численное моделирование позволило описать генерацию значительного числа горячих электронов при взаимодействии лазерного импульса с микроструями и заложить теоретические основы метода создания эффективного источника рентгеновского излучения.
Следует отметить, что предлагаемая схема компактного источника жесткого рентгеновского излучения может быть использована для целого ряда практических приложений, включая фазово-контрастную рентгеноскопию микробиологических объектов.

Комментирует научный сотрудник ФИАН, кандидат физико-математических наук Сергей Бочкарёв: «Задачи, решаемые Совместной лабораторией релятивистской лазерной плазмы, требуют высокопроизводительных численных расчетов, что напрямую зависит от развития суперкомпьютерной отрасли в России. Сейчас важно достижение такого уровня "суперкомпьютерного образования», который позволил бы рассчитывать на развитие компьютерных технологий и программного обеспечения в экзомасштабах".

Результаты научной деятельности Лаборатории показывают, что используемая сотрудниками ФИАН и МГУ форма некоммерческого партнерства является весьма эффективной с инновационных позиций, так как позволяет заниматься проблематикой, находящейся на переднем крае мировой науки.
В настоящее время перед Лабораторией стоит задача трансформирования в международный центр с привлечением иностранных ученых – мировых лидеров в лазерной физике высоких энергий.