В МИФИ в сотрудничестве с зарубежными коллегами предложен новый метод получения сверхсильных магнитных полей

В июле 2016г. в журнале New Journal of Physics вышла статья сотрудников НИЯУ МИФИ, университета Ростока (Германия) и университета Пизы (Италия) «Обратный эффект Фарадея, порождаемый силой радиационного трения». Статья была отмечена в дайджесте международного портала физических новостей physicsworld.com и набрала более 1000 скачиваний за первые три недели после публикации.

Чем вызван такой повышенный интерес научной общественности к этой чисто теоретической работе, рассказывал один из ее авторов, профессор кафедры теоретической ядерной физики С.В. Попруженко.

Сергей Васильевич Попруженко – профессор кафедры теоретической ядерной физики НИЯУ МИФИ, доктор физико-математических наук, специалист в области физики взаимодействия мощного лазерного излучения с веществом, автор более 60 научных работ. В 1997г. окончил МИФИ. В разное время работал и проходил стажировки в Институте ядерной физики им. М. Планка (Германия), Ядерном исследовательском центре Saclay (Франция), Институте оптики и спектроскопии им. М. Борна (Германия) и других европейских научных центрах и университетах.

В чем актуальность Вашей работы? Почему она удостоилась упоминания в новостях портала physicsworld.com?

С.П.: В нашей работе представлен расчет, обосновывающий новый метод получения очень сильных магнитных полей в лабораторных условиях. Речь идет о полях напряженностью в несколько гига-Гаусс (10⁹Гаусс). Достигнутые на сегодняшний день значения – примерно на порядок меньше. В природе столь сильные магнитные поля встречаются, пожалуй, только в космосе, поэтому получение таких мощных полей в лаборатории создает новые возможности для моделирования астрофизических процессов. Недавно возникла, а сейчас интенсивно развивается новая область науки – лабораторная астрофизика. Этим и обусловлена актуальность работы.

Сам эффект Фарадея известен давно (что ясно из названия) и заключается в том, что в присутствии магнитного поля возникает вращение плоскости поляризации электромагнитной волны, проходящей через немагнитную среду. Обратный эффект – генерация магнитного поля при прохождении циркулярно поляризованной волны через кристалл или плазму – был рассмотрен в работах выдающегося советского и российского теоретика школы Ландау Л.П. Питаевского. Чем сильнее электромагнитная волна, тем более сильное магнитное поле может она породить при прохождении через среду. Однако тонкость эффекта состоит в том, что для него необходимо поглощение, в полностью прозрачной среде он не имеет места. В очень сильных электромагнитных полях заряженные частицы становятся ультрарелятивистскими и почти не рассеиваются друг на друге, что уменьшает поглощение.

В нашей работе мы показали, что при очень больших интенсивностях лазерной волны поглощение может быть очень эффективно обеспечено радиационным трением – частицы тормозятся не за счет столкновения с другими частицами, а за счет того, что излучают огромное число фотонов. И это трение приводит к генерации сверхсильного магнитного поля!

Думаю, что интерес к нашей работе, проявляющийся в большом числе скачиваний и попадании в ленту международных новостей по физике, связан именно с рекордными показателями магнитных полей – большие числа всегда привлекают внимание. Забавно, что мы отправили работу в New Journal of Physics после того, как она была отклонена журналом Physical Review Letters на том основании, что полученные в ней результаты вряд ли будут интересны широкому кругу физиков.

Кто принимал участие в работе?

С.П.: У нас небольшой международный коллектив. Andrea Macchi из Пизанского университета – известный в мире специалист в теории лазерной плазмы; Татьяна Лисейкина из Ростокского университета и Института вычислительных технологий СО РАН – ведущий эксперт в области численного моделирования плазмы. Сочетание методов теоретической физики и численного эксперимента дало возможность не только оценить величину эффекта, но и дать ему простое объяснение в терминах радиационного трения, что делает полученный результат более понятным и убедительным.

Возможна ли экспериментальная проверка Ваших расчетов?

С.П.: Возможна, но через несколько лет. На самом деле, работа в значительной степени стимулирована тем, что в ближайшие 3-5-10 лет ожидается пуск нескольких новых лазерных установок рекордной мощности: три таких лазера строятся сейчас в рамках Европейского проекта Extreme Light Infrastructure (ELI) в Чехии, Румынии и Венгрии. Создание четвертой, еще более мощной установки Exawatt Center for Extreme Light Studies (XCELS) планируется на базе Института прикладной физики РАН в Нижнем Новгороде. Кстати, НИЯУ МИФИ является одним из участников дорожной карты проекта XCELS. Эти лазерные установки позволят достичь интенсивностей, необходимых для генерации сверхсильного магнитного поля за счет эффекта радиационного трения, а также для наблюдения многих других фундаментальных эффектов.

В последние несколько лет в физике наблюдается бум работ посвященных сверхсильным лазерным полям именно потому, что технические возможности строящихся лазерных установок позволят вплотную приблизиться к новой физике – нелинейной квантовой электродинамике вакуума.

В теории взаимодействия сверхсильных лазерных полей с веществом и вакуумом НИЯУ МИФИ является одним из ведущих в мире центров во многом благодаря усилиям Николая Борисовича Нарожного, одного из основателей этой области науки, который очень много делал для ее развития в нашем университете.

Сейчас есть серьезные планы создания у нас в университете значительной экспериментальной базы в этом направлении. В 2017г. в новом лабораторном корпусе начнется строительство лазерной установки килоджоульного уровня Experimental Laser Facility (ELF), которая будет превосходить по своим характеристикам аналогичные установки, существующие в нескольких зарубежных университетах. На базе ELF планируется создание международного пользовательского лазерного центра, в котором научные группы из разных стран смогут проводить эксперименты. Реализация этого проекта даст НИЯУ МИФИ возможность стать мировым лидером лазерной физики не только в теоретических работах, но и в эксперименте.