Для разогрева и разгона электронов в твердых телах необходимы мощные системы интенсивного лазерного ускорения ионов. Такие лазеры обычно могут генерировать несколько вспышек в секунду, не более, иначе возникает перегрев и повреждение лазерных компонентов. Поэтому лазерные ускорители ионов используются только в крупных экспериментальных установках, что ограничивает их применение на практике. В университетских лабораториях можно встретить небольшие, но намного менее производительные лазеры, пишет EurekAlert.

Ученые из Института фундаментальных исследований Хайдерабада преодолели этот разрыв между размером и мощностью, разработав лазеры в несколько миллиджоулей, способные генерировать мегавольтные протоны импульсами с частотой в тысячу раз в секунду. Для этого они поставили себе на службу хорошо известные недостатки схем лазерного ускорения ионов — так называемые преимпульсы. Это небольшие всплески лазерной энергии, предшествующие интенсивному лазерному импульсу. Они возникают в лазерных системах из-за различных дефектов.

Процесс ускорения ионов основан на предпосылке, что один интенсивный лазерный импульс нагревает цель. Однако предварительные импульсы преждевременно изменяют поверхность твердого тела, часто даже разрушая тонкие элементы, присутствующие на них. Для подавления преимпульсов часто используют дополнительное оборудование, которое увеличивает сложность и ограничивает масштабируемость всей системы.

Вместо того чтобы удалять преимпульс, ученые придумали, как поставить себе на службу его особенности.

Эксперимент показал, что преимпульс формирует полую полость в жидкой микроскопической капле, создавая плазму низкой плотности. На такой плодородной почве лазерные импульсы возбуждают пару гигантских волн в плазме. Эти волны имеют тенденцию быстро разрушаться по мере перемещения, высвобождая всплески электронов. Электроны в конечном итоге отвечают за эффективное ускорение протонов до сотен киловольт. Работая со скоростью тысячи раз в секунду и используя лазерные импульсы с энергией миллиджоулей, такой подход обеспечивает эффективное ускорение ионов.

Новый метод, не требующий экстремальной интенсивности лазера или подавления преимпульсов, открывает путь к появлению в университетских лабораториях настольных высокочастотных лазерных ускорителей ионов.

Физики из США впервые показали, как тепло перемещается — или, скорее, не перемещается — между веществами в состоянии плазмы с высокой плотностью энергии. Результаты исследования позволят разработать новые эксперименты по управляемому термоядерному синтезу с использованием лазеров.