Голос науки: Алексей Тищенко о путях усиления когерентного излучения

Современная цивилизация во многом базируется на управлении различными источниками электромагнитного излучения. Достижения физики в этой сфере видны и в рентгеновских кабинетах поликлиник, и в радиолокации, и в простых лазерных указках, и во многих других сферах. О проблемах создания новых источников излучения, и о методах его усиления мы беседуем с руководителем международной научно-исследовательской лаборатории «Излучение заряженных частиц» Института нанотехнологий в электронике, спинтронике и фотонике НИЯУ МИФИ Алексеем Тищенко.

Алексей Александрович, можно популярно объяснить, чем занимается ваша лаборатория?

Наши исследования в области физики заряженных частиц лежат на стыке двух огромных разделов науки: оптики и ускорительной физики. Это не просто две области науки, это огромные континенты, и между ними очень большое пространство. Мы занимаемся как вопросами генерации излучения, так и взаимодействия излучения с разного рода структурами. Мы заняты работой на будущее, потому что перед наукой в этой сфере стоят глобальные вызовы.

Например?

В свое время возникла идея о когерентном излучении. Что это значит? Предположим, есть некая система излучающих объектов: это могут быть антенны, или возбужденные молекулы, или пучок заряженных частиц. Вот мы берем одну частицу и заставим ее излучать с определенной интенсивностью. Затем возьмем две частицы, и теперь интенсивность излучения можно умножить на два. Если мы возьмем N частиц, то интенсивность будет в N раз больше. Это вещи крайне важные с точки зрения практики, ведь нам нужны источники излучения, которыми мы можем управлять: на этой основе создаются и радары, и сенсорика разного рода, и многое другое. Так а что такое когерентность? Оказывается, при определенных условиях мы можем наблюдать эффекты нелинейного возрастания интенсивности излучения, когда оно усиливается не в N раз, а в N в квадрате раз! А представьте, что этих излучающих источников N = 10^10 штук, то есть 10 миллиардов (это совершенно реальные цифры, бывает и больше). Получается совершенно невероятный выигрыш в интенсивности. Неудивительно, что сегодня самые интенсивные, самые яркие источники излучения, построенные человечеством – синхротроны,  лазеры на свободных электронах – основаны именно на эффекте когерентности в излучении заряженных частиц.

В России лазеры на свободных электронах есть?

Есть один, в Новосибирске, но и он немного выпадает из общей линейки, потому что работает на терагерцовых частотах. Это, с одной стороны, делает его уникальным, а с другой стороны, мейнстримом все-таки является работа в рентгеновском диапазоне. В России таких лазеров пока нет, хотя они строятся сейчас, это крупные проекты: СКИФ (Сибирский Кольцевой Источник Фотонов, в Новосибирском академгородке), СИЛА (СИнхротрон-ЛАзер, в Протвино). Очень близок по физике и общей направленности и крупнейший современный российский проект НЦФМ (Национальный Центр Физики и Математики, в Сарове). В этой области есть задачи прикладного плана, где наши компетенции могут пригодиться, где мы интересны и научному сообществу, и разработчикам технологий. Символично, что наши исследования ведутся в том числе в рамках программы Приоритет 2030 – а мы и правда нацелены на решение задач, приоритетных для сегодняшней мировой науки.

И что же это за задачи?

Человечеству удалось реализовать идею использования когерентного режима излучения. А что дальше? А можно усилить излучение еще как-то? Или мы здесь достигли максимума, разрешенного природой? Мы думаем, что есть пути и дальнейшего развития, и найти их – это и наша задача. В частности, в нашей группе мы развиваем некоторые подходы, которые обещают вывести на еще более интенсивные режимы излучения. Решение этой задачи требует развития физико-математической базы, проведения расчетов и экспериментов, чтобы доказать работоспособность тех или иных гипотез. Мы в этом смысле продолжаем традиции физики, которая сложились в Советском Союзе – излучательная физика у нас была очень сильной. Вот в МИФИ есть аллея Нобелевских лауреатов, а очень многие из них занимались этой физикой и внесли в нее важнейший вклад. И Тамм, и Франк, и Черенков, и Гинзбург, и еще много других замечательных исследователей. Мой научный руководитель Михаил Иванович Рязанов – через своего руководителя, академика Евгения Львовича Фейнберга, – яркий представитель школы Мандельштама-Тамма, это одна из двух самых крупных школ теорфизики в Советском Союзе. Или вот совсем недавно в МИФИ был семинар памяти Виктора Михайловича Галицкого – он тоже один из тех замечательных исследователей, благодаря которым развивалась физика в МИФИ. Мы стоим на плечах гигантов – это заезженные слова, но ведь так и есть. То есть мы сами-то до гигантов, наверное, не дотягиваем, но мы продолжаем эти традиции, и стараемся соответствовать духу и научному уровню нашей школы.

С какими именно излучениями вы работаете?

Мы акцентируемся на двух диапазонах электромагнитного излучения – терагерцовом и рентгеновском. Почему? Современная физика лазеров развита очень здорово, и хорошие, мощные источники когерентного излучения существуют в очень многих диапазонах - за исключением этих двух. А вот в терагерцах, как ни странно, до сих пор хорошей когерентной генерации нет. В рентгене есть, благодаря лазерам на свободных электронах, но очень хороших установок такого рода в мире очень немного, перечесть па пальцам одной руки. В нашей лаборатории мы исследуем новые типы источников в терагерцовом диапазоне, и некоторые наши гипотезы мы уже экспериментально проверяли и в России, и в Японии, на высокопрецизионном пучке установки LUCX, в крупнейшем японском исследовательском центре КЕК.

В последние годы доступ к зарубежным установкам, к сожалению, сильно затруднен, но мы в МИФИ стараемся это направление развивать. В частности, сейчас усилиями руководителя 14-й кафедры Сергея Полозова в МИФИ строится собственный компактный источник электронов. Когда он начнет работать, у нас появятся отличные возможности для усиления экспериментальной стороны исследований.

Какие же гипотезы у вас сейчас в работе?

Я начал с того, что мы работаем на стыке оптики и физики заряженных частиц. На стыке наук бывает больше всего малоисхоженного: это и источник проблем, недоисследованности, но и там же больше всего возможностей. Мы вносим в ускорительную физику элементы оптики, очень хорошо развитой сегодня. Это нано-плазмоника, физика метаматериалов, физика квантовых излучений. Вот сейчас наука уже моделирует ситуации, когда свет сам собой заворачивает за угол, например. Вроде бы, так не бывает: все знают, что свет движется по прямой. Чтобы его заставить завернуть, надо поставить зеркало или загнать его в какой-то искривленный канал (ну или пустить его по траектории, практически касающейся поверхности звезды, но это уже совсем экзотика). А как заставить его завернуть в вакууме, причем в привычных нам повседневных условиях, вне сильных гравитирующих объектов? Оказывается, пакеты Эйри дают такую возможность. Это то, что сегодня исследуют физики-теоретики, и это однажды будет реализовано в конкретных приборах и технологиях, как было реализовано уже очень много всего, что когда-то казалось фантастикой, сказкой. Вообще, в оптике есть масса новых вещей, малоизвестных в физике излучения. Но и наоборот: в оптике, скажем, совершенно привычна работа с плоскими волнами, часто к тому же монохроматическими, а в физике излучения ты работаешь с Лоренц-сжатым пакетом поля заряженных частиц (а это уже совсем не плоская волна, и, что еще важнее, очень далеко не монохроматическая), плюс это пучок, это когерентность по пучку и так далее. И вот именно такие ключевые моменты позволяют предлагать нечто новое. Так, сейчас мы исследуем возможность резонансного усиления излучения. Для этого мы хотим использовать мишень, состоящую из резонансных элементов. Данные исследования лежат в русле развития идеи метаматериалов, которая является как раз чисто оптической темой.

Можно пояснить – что это за элементы?

Снова начну немножко издалека. Был такой советский физик Виктор Веселаго, он в 1969 году написал статью про странные материалы, у которых диэлектрическая и магнитная проницаемость – обе одновременно меньше нуля. Он показал, что у таких материалов будут очень странные свойства. Люди думали над этим несколько десятков лет, искали эти материалы в природе, не нашли. Потом на стыке веков, в 1999 году американец Смит и британец Пендри придумали, как искусственно сделать такие материалы – и сделали их. Но они, правда, создали их в радиодиапазоне, но факт в том, что они доказали: такие метаматериалы могут существовать, их можно делать. Они их собрали, и это выглядело удивительно просто: какие-то железные и медные проволочки, какие-то закрученные спиральки – скажем, представьте себе квадратик, который вложен в другой квадратик, они разомкнуты, – в общем обычный, вроде, колебательный контур, аналог того что используется во многих антеннах. Тем не менее, это была целая революция в оптике, после чего пошла лавина научных публикаций о метаматериалах. И сегодня они уже используются в конкретных технологиях (модуляторы и фильтры сигнала, частотные и фазовые, резонансные усилители и т.д.). А сколько всего еще очень заманчивого связано с метаматериалами? Супер-линза с неограниченным разрешением, вне вроде бы твердо установленного ограничения Рэлея, плащ-невидимка, делающий невидимым все, что скрыто под ним, изучение явлений сильной гравитации, встречающейся только в экстремальных условиях астрофизики – и изучение в комфортных условиях земных лабораторий, причем небольших, и так далее. И да, вот эти ключевые резонансные элементы можно делать как маленькие антенны. Но поскольку сейчас физика нанотехнологий хорошо развита, в частности в МИФИ есть замечательное нанотехнологическое оборудование, то мы можем делать такие элементы совсем маленькими.

Зачем?

Если мы хотим уходить от сантиметрового излучения, например, в инфракрасную область, в оптическую, у нас длина волны становится короче, и нам нужны совсем маленькие элементы, которые надо делать в наномасштабах. У нас есть такой опыт: например, в МИФИ по нашим расчетам группой проф. И.С. Васильевского была изготовлена такая нанорешетка на алмазных дисках, и мы летали с ней в Японию, ставили там эксперименты. То есть, одна из задач которая решается в нашей лаборатории – изучить резонансные эффекты и с их помощью дополнительно усиливать уже существующие механизмы излучения.

Еще одна задача - создать компактные установки когерентного излучения. Существующие лазеры на свободных электронах — это здоровенные такие штуковины. Например, Swiss FEL, Швейцария, 800 метров в длину, European XFEL, Германия – 3 километра; даже современные синхротронные кольца — это, как минимум 300 метров в окружности. Такие установки строить долго и дорого, и в каждой исследовательской лаборатории или центре их не поставишь. А если бы были установки компактные, сравнительно недорогие – насколько б увеличилось число открытий на них, возросли возможности их конкретных применений?

То есть вы проверяете, можно ли уместить такой лазер, условно говоря, в одной комнате?

Точно можно. К примеру, можно использовать эффект обратного комптоновского рассеянии. Он по своей природе очень простой. Если мы светим лазером на пучок электронов, то фотоны от этого пучка отражаются. Фотоны легкие, электроны тяжелые – мы из школьной физики знаем, что при столкновении легкого тела с тяжелым легкое приобретает дополнительный импульс, то есть увеличивает свою скорость. Но фотоны всегда двигаются со скоростью света. И если они приобретают от столкновения дополнительную энергию, то у них увеличивается не скорость, а частота. То есть, если мы светили лазером в оптическом диапазоне, то получаем луч уже в коротковолновом диапазоне. Это сравнительно простой способ получить очень жесткое излучение, рентгеновское, гамма-, причем его можно получать на довольно компактных установках. В США уже делают и продают такие установки. Неудивительно - в США много денег, много ученых, много фирм, которые вкладываются в технологии. Но там пока еще даже близко не достигнуто то, что можно выжать из этого процесса. У нас есть идеи, как можно еще усилить интенсивность таких источников – например, за счет использования краб-схемы. А еще, как можно реализовать такие источники на основе обратного комптоновского рассеяния в области, чрезвычайно популярной в наши дни (Нобелевские премии 2018, 2024 года) – аттосекундной оптике. Мы не одни это знаем: судя по публикациям ребята в MIT тоже об этом знают – но зато мы можем построить теорию, которая опишет детально это не самое простое явление. И, конечно, нам для всего этого хорошо бы иметь экспериментальные машины, хотя лично мне, как теоретику, они, в принципе, не сильно нужны: я и так уверен в своих результатах. Но, эксперимент — тоже очень интересная штука. Он не только позволяет доказать верность твоих идей широкому научному сообществу, но и показывает что-то новое, что ты мог просто не рассмотреть, позволяет провести твои идеи в жизнь – сначала на первых экспериментах, потом отработать их и превратить в технологии, которые потом будут реализованы в виде доступных всем приборов, способов исследования и воздействия на самые разные объекты, и перейдут в сферу услуг, доступных всем людям.

То есть физика нас еще не раз удивит?

Точно да. Удивит, и не раз. Физика уже дала удивительные практические результаты. Не говоря даже про самолеты и космические спутники, компьютеры и смартфоны, сверхбыструю связь и новые материалы. Вот буквально пара-тройка из сотен, может и тысяч примеров: вот сегодня в медицине повсеместно применяют исследования МРТ. Ну а в основе МРТ лежит явление ядерно-магнитного резонанса. А ведь еще несколько десятков лет назад этим занимались только физики-теоретики. Или взять позитрон-эмиссионную томографию. Что такое позитрон? Это ведь антивещество, это античастицы электронов – а мы сегодня эту антиматерию, что еще в моем детстве казалась фантастикой, используем в ПЭТ-томографах. Или вот сегодня лазеры стали повседневностью: сверхкороткими лазерными вспышками корректируют зрение, испаряя часть хрусталика, и это уже 10-15 лет доступно не в единичных крупнейших медицинских центрах, а чуть ли не в каждом районе любого большого города. И мы в наших исследованиях тоже двигаемся вперед.

Беседовал Константин Фрумкин, пресс-служба НИЯУ МИФИ

Интервью взято в рамках рубрики «Голос науки»