Согласно последней работе ученых из США, с помощью лазерного импульса можно создать расширяющуюся ударную волну в крошечном образце плазмы из высокоэнергетических ионов и электронов. Для этого исследователи использовали последовательность из двух лазерных импульсов: первым они испаряли наночастицы, превращая их в плазму, а вторым – генерировали ударную волну. Подобные нанооблака плазмы создавались и ранее, но в рамках этого эксперимента ученым впервые удалось наблюдать ударную волну, по мере ее распространения через плазму. В отдаленной перспективе открытие может привести к новым способам получения ионных пучков для применения в биомедицине, а также дать ответ на вопросы об ударных явлениях, к примеру, в сверхновых.

Частицы с энергией около нескольких МэВ были произведены сравнительно недавно: при помощи лазеров умеренной интенсивности ученые разработали методику генерации нанооблаков плазмы, содержащие высокоэнергетические ионы и электроны.

Такие облака плазмы позволяют исследователям получать высокоэнергетические частицы без ускорителей.

В рамках своих экспериментов группа ученых из University of Colorado (США) создавала ударные волны в нанооблаке плазмы, используя систему, допускающую беспрецедентное отображение быстро расширяющейся плазмы. Исследователи направили луч наночастиц (хлорида натрия, хлорида калия и других солей) в вакуумную камеру, где он освещался 40-фемтосекундными импульсами жестко сфокусированного лазера.

Приблизительно каждый 40-ой импульс ударял наночастицу и превращал ее в плазму. После того, как плазма успевала расшириться, положительные ионы направлялись через отверстия в двух шайбообразных электродах, расположенных над пучком, в детектор, фиксирующий энергию частиц.

Энергии ионов были не очень высоки (по сравнению с другими методами получения нанооблаков плазмы, где используются мелкие наночастицы и более интенсивные лазеры). Но система позволяла команде записать полный энергетический спектр каждого фрагмента плазмы в отдельности, а не всех вместе.

Эти энергетические спектры показали, что

интенсивные лазерные импульсы производят ударные волны в некоторых нанооблаках плазмы, которые выделялись наличием ионов, энергия которых относилась к узкому диапазону значений. Также исследователи обнаружили, что с помощью второго лазерного импульса в ближнем ИК-диапазоне, они могли резко нагреть нанооблако плазмы, что производило гораздо более сильную ударную волну.

Стоит отметить, что ударные волны возникали, только если задержка между первым и вторым лазерным импульсами составляла как минимум 7 пикосекунд – это время было необходимо на то, чтобы облако достаточно расширилось (одновременно увеличивая свою способность поглощать лазерное излучение).

По расчетам команды, ударная волна формируется, когда второй импульс поглощается оболочкой материала, посылая волну давления в середину плазмы. Когда волна возвращается, наружу вырывается пучок ионов, обладающих сходными энергиями.

Коллеги ученых еще в 2003 году предположили, что

ударные волны в нанооблаках плазмы могут привести к выявлению многих интересных эффектов, в частности, ядерного синтеза между ионами в наноплазме. Ранее уже предпринимались попытки найти эти ударные волны, но до сих пор они были безрезультатны. Новая группа ученых добилась успеха, поскольку они использовали в работе наночастицы размером около 100 нм, что в 20 раз превышает размеры образцов в предыдущих опытах.

Результаты работы ученых были опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Однако ученые подчеркивают, что

полученных на данный момент результатов пока не достаточно для их медицинского применения (где, как известно, очень востребованы пучки электронов со сходными энергиями). Но в любом случае, работа важна с фундаментальной точки зрения.