Германские физики экспериментально оценили возможности нестандартного метода ускорения электронов, который основывается на использовании наночастиц и сверхкоротких лазерных импульсов.

Диэлектрические частицы размером около 100 нм, подготовленные для опыта, были выполнены из диоксида кремния. На них падало поляризованное лазерное излучение, причём длительность его импульсов составляла лишь около пяти фемтосекунд, что соответствует нескольким периодам волны.

«Импульсы мощного излучения могут повреждать или уничтожать наночастицы, — делится подробностями один из руководителей научной группы Эккарт Рюль (Eckart Rühl), сотрудник Свободного университета Берлина. — Поэтому в эксперименте был создан пучок наносфер SiO2, и каждый импульс лазера воздействовал на «свежие» заготовки».

Рис. 1. Диэлектрические наночастицы диаметром 147 ± 7 нм (иллюстрация авторов работы).

Наночастицы SiO₂ содержали примерно по 50 миллионов атомов. Когда на них попадало лазерное излучение, происходила ионизация, и электроны покидали родную наночастицу, вылетая в разных направлениях. Часть из них, отойдя менее чем на один нанометр от наносферы, возвращалась обратно под влиянием поля излучения лазера, но после упругого соударения с поверхностью эти электроны вновь улетали прочь. Стадии процесса ускорения, по мнению авторов, напоминают события короткого теннисного розыгрыша: подачу, ответный удар соперника и завершающий мощный удар.

«Ускорению способствовало не только появляющееся под влиянием лазера локальное электрическое поле у наночастиц, которое по силе превосходит поле лазерного излучения, но и взаимодействие вылетевших заряженных частиц с другими высвобожденными электронами», — говорит другой участник исследования Матиас Клинг (Matthias Kling) из Института квантовой оптики им. Макса Планка. Свою роль играет и то, что поверхность наночастиц оказывается положительно заряженной. Когда все эти эффекты работают на увеличение энергии электронов, она становится весьма серьёзной: в экспериментах были отмечены величины, приблизительно в 60 раз превосходящие энергию 700-нанометрового фотона (1,77 эВ).

В опытах также регистрировались вспышки крайнего ультрафиолетового излучения (этой области спектра принадлежат длины волн от 120 до 10 нм и энергии фотонов от 10 до 124 эВ). Фотоны с такими параметрами рождаются в том случае, если электроны, вернувшиеся к поверхности наночастицы, не отражаются, а поглощаются.

Рис. 2. Три стадии ускорения электронов. Сначала они высвобождаются при участии поля лазерного излучения, показанного в виде красной волны. Затем электроны — зелёные частицы — возвращаются обратно, испытывают упругое столкновение и вновь удаляются от наночастицы, приобретая большую кинетическую энергию. (Иллюстрация Christian Hackenberger / LMU).

Результаты исследований опубликованы в статье:

Sergey Zherebtsov, Thomas Fennel, Jürgen Plenge, Egill Antonsson et al. Controlled near-field enhanced electron acceleration from dielectric nanospheres with intense few-cycle laser fields. – Nature Physics. – 2011. – doi:10.1038/nphys1983; Published online 24 April 2011.