В своем исследовании ученые из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли опираются на лазерно-плазменные ускорители (ЛПУ), служащие для генерации высококачественных электронных пучков. Плазма представляет собой газ, состоящий из положительно заряженных ионов и отрицательно заряженных электронов. Вместо того, чтобы нагнетать радиочастотные волны в длинный линейный ускоритель для ускорения электронных пучков, ученые возбудили в плазме волну электронной плотности, в которой другие фоновые электроны могут перемещаться и ускоряться примерно в 1000 раз быстрее, чем в ускорителе.

В обычном линейном ускорителе ограничение ускорения электронного пучка составляет примерно 50 мегавольт на метр. Однако с плазмой возможно ускорение до 100 гигавольт на метр, что позволяет сделать оборудование более компактным, сообщает сайт лаборатории Беркли.

«Все это означает, — сказал Йерун ван Тилборг, один из исследователей, — что можно генерировать электронные пучки с энергией в несколько ГэВ, и вместо километра [физического пространства] для их достижения потребуется несколько метров или того меньше».

Помимо высоких энергий РЛСЭ также требуются электронные пучки чрезвычайно высокого качества. И в этом случае при правильном управлении сильные плазменные поля могут оказаться полезными. Когда электронный луч проходит через специальные магнитные устройства, называемые ондуляторными магнитами, колеблющийся луч начинает излучать. В определенных условиях, по мере продвижения вдоль ондулятора излучение экспоненциально усиливается, генерируя один из самых ярких источников рентгеновского излучения на Земле.

В ходе эксперимента установка продемонстрировала сильный экспоненциальный рост излучения ЛСЭ с исключительной стабильностью и надежностью в течение многих часов работы.

Наличие компактных РЛСЭ позволит получать изображения сложных белков для биологических исследований, анализировать наноструктуры материалов и изготавливать полупроводниковые кристаллы методом фотолитографии. Также эту технологию можно использоваться для модернизации существующих рентгеновских лазеров на свободных электронах.

Исследователи из США разработали первую в мире фотон-кристаллическую лазерную установку (PCSEL) с фотонакачкой, способную работать при комнатной температуре, безопасную для глаз и не требующую хрупких воздушных полостей. Новые лазеры можно будет использовать в ближайшие 20 лет в беспилотных автомобилях, лазерной резке, сварке и космической связи.