Если направить мощный лазер на стеклянный образец, в нем образуются электроны, которые будут двигаться со скоростью, превышающей скорость света в среде. Из-за этого частицы будут испускать черенковское излучение и терять энергию, пока их скорость не упадет ниже скорости света. Группа ученых из Индии, Франции, Великобритании и Швейцарии экспериментально исследовала это явление и показала, что электроны остаются релятивистcкими в течение примерно 50 пикосекунд, что в несколько тысяч раз превышает длительность лазерного импульса. Статья опубликована в Physical Review Letters.

Когда заряженная частица движется в веществе быстрее скорости света, она поляризует атомы среды и заставляет их излучать электромагнитные волны — возникает так называемое черенковское излучение. Отдаленно это излучение напоминает волны, которые расходятся от плывущего по воде катера — электромагнитные волны излучаются только в узкий конус, осью которого является траектория частицы, а угол при вершине определяется ее скоростью и показателем преломления среды. Это наблюдение позволяет определить скорость частицы и используется в детекторах элементарных частиц — например, в детекторе космических нейтрино IceCube.

Один из способов получить «сверхсветовые» электроны предполагает использование сверхмощных фемтосекундных лазеров, которые высвобождают огромное количество энергии за очень короткий промежуток времени. Если посветить таким лазером на границу прозрачной среды, образуются электроны, которые будут двигаться со скоростью, близкой к скорости света в вакууме. Из-за огромной скорости эти электроны будут создавать сильные токи плотностью до 1012 ампер на квадратный сантиметр. Несмотря на то, что такие токи исследовались несколькими группами ученых, особенности протекающих процессов до сих пор изучены плохо. В частности, нет надежных экспериментальных измерений «времени торможения» (transit time) таких электронов, то есть времени, в течение которого они излучают электромагнитные волны благодаря эффекту Вавилова-Черенкова, пока не растеряют свою энергию.

Черенковское излучение электронов, которые образуются при загрузке атомного реактора в национальной лаборатории Ок-Ридж. Genevieve Martin / ORNL

Группа ученых под руководством Равиндры Кумара (Ravindra Kumar) измерила это время, наблюдая за эволюцией черенковского излучения с помощью оптического эффекта Керра. Для этого они сфокусировали титан-сапфировый лазер мощностью около ста тераватт и длительностью импульса около 25 фемтосекунд в узкое пятно на поверхности стеклянного образца (стекло BK7, показатель преломления n = 1,5), зажатого между пластинками алюминиевой фольги. Под действием импульса в образце образовались быстрые электроны, которые стали испускать черенковское излучение. Полученное излучение экспериментаторы фокусировали и пропускали через систему поляризационных пластинок и ячейки из дисульфида углерода, а затем регистрировали с помощью камеры с ПЗС-матрицей. Из-за эффекта Керра поляризация света, проходящего через ячейку, периодически поворачивалась, и камера могла регистрировать черенковское излучение только в узкие промежутки времени с интервалом две пикосекунды. Это позволило проследить за изменением интенсивности излучения со временем.

Схема экспериментальной установки: генерация электронов и черенковского излучения (a), траектории электронов в толще стекла (b), регистрация излучения ©. M. Shaikh et al. / Phys. Rev. Lett.

Оказалось, что интенсивность черенковского излучения быстрых электронов зависит от толщины стеклянного образца и от времени, прошедшего после лазерного импульса. Зависимость от толщины объяснить несложно. Во время импульса образуется большое число электронов, имеющих разную энергию и подчиняющихся распределению Максвелла. Если пластинка недостаточно толстая, быстрые электроны практически сразу выскакивают из нее и не успевают внести существенный вклад в излучение, а более медленные теряют энергию из-за столкновений с частицами среды, их скорость падает ниже скорости света, и они перестают излучать. В данном эксперименте насыщение наступало при толщине стеклянного образца около 10 миллиметров, что отвечает энергии электронов порядка нескольких мегаэлектронвольт. В большинстве предыдущих экспериментов использовались значительно более тонкие образцы с толщиной порядка микрона.

Мгновенные снимки черенковского излучения в различные моменты времени. M. Shaikh et al. / Phys. Rev. Lett.

Изменение интенсивности излучения со временем физики объяснили следующим образом. Во-первых, для электронов с различными начальными энергиями пики излучения находятся на разном расстоянии от источника, причем тем ближе к камере, чем больше энергия. Поскольку скорость электронов в среде превышает скорость света, первыми до нее доходит излучение от электронов, пики излучения которых оказались ближе к камере. Во-вторых, очень быстрые частицы испытывают множество столкновений внутри стеклянного образца и продолжают излучать до тех пор, пока их скорость не станет меньше скорости света в среде. В третьих, часть излучения отражается от алюминиевой фольги и не сразу попадает в камеру, что тоже вносит вклад в интенсивность. В результате суммарная длительность излучения в эксперименте составила примерно 120 пикосекунд, что почти в пять тысяч раз больше, чем длительность лазерного импульса, во время которого образуются электроны. Впрочем, «время торможения», то есть промежуток, после которого все электроны перестают излучать, физики оценили 50 пикосекундами — оставшаяся часть зависимости набирается из-за переотражений света внутри образца. 

Зависимость интенсивности черенковского излучения от толщины образца (a) и времени, прошедшего после лазерного импульса (b). M. Shaikh et al. / Phys. Rev. Lett.

Кроме того, ученые проверили с помощью численного моделирования предложенное объяснение зависимости интенсивности излучения от времени. Каждый процесс, вносящий вклад в зависимость, они рассмотрели по отдельности и показали, что в сумме они дают как раз нужное число.

По словам авторов, в дальнейшем разработанный ими метод позволит измерить распределение по энергиям электронов, образующихся во время лазерного импульса.

В октябре прошлого года мы писали, как российские ученые из Института прикладной физики РАН нагрели с помощью мощного лазера алюминий до трех миллионов градусов Цельсия, сохранив при этом его плотность. В том же месяце ученые из Ливерморской национальной лаборатории показали, как можно объединить нескольких мощных лазерных пучков в плазме в один.

Автор: Дмитрий Трунин