Создание мощных фемтосекундных лазеров дало импульс развитию двух новых направлений - появлению "настольной физики высоких энергий" и рождению аттофизики. Недавняя работа канадских ученых является попыткой объединить эти направления.

Рис.1. Предлагаемая схема эксперимента.

Генерация ультракоротких лазерных импульсов (длительностью менее одной фемтосекунды, т.е. менее10^{- 15} с) происходит следующим образом. Лазерное излучение (импульс света ближнего инфракрасного диапазона фемтосекундной длительности) фокусируется на газовой "мишени". Если плотность мощности в фокусе составляет порядка 10¹⁵ Вт/см² и выше, то напряженность электрического поля световой волны, действующего на атомы, становится сопоставима с внутриатомным электрическим полем (порядка 10⁹ В/см), т.е. становится достаточной, чтобы вызвать ионизацию атома за счет подавления кулоновского барьера. Освобожденный из атома электрон совершает колебательное движение под в сильном поле лазерного импульса; поскольку поле достаточно сильно, электрон может приобретать при этом большую кинетическая энергию. Ускоренный электрическим полем электрон испытывает соударения с атомами (в достаточно разреженных газах как правило с "родительскими ионами" - атомами, из которых он был выбит). При столкновениях достаточно высокоэнергетичных электронов с ионами имеет место тормозное излучение - электрон теряет энергию, излучая кванты электромагнитного поля (их энергия ограничена сверху максимально возможной энергией налетающего на ион электрона). В результате за короткое время (много меньшее оптического периода возбуждающего импульса) происходит генерация коротковолнового излучения (аттосекундных импульсов).

Казалось бы, увеличивая плотность мощности возбуждения, можно разгонять электроны лазерным полем до все более высоких энергий - таких, что высокоэнергетичные электроны будут в состоянии вызывать ядерные реакции. Действительно, при увеличении плотности мощности лазерного излучения электроны разгоняются до все более высоких скоростей, однако это означает, что все более сильное влияние на движение электронов начинает оказывать магнитная компонента лазерного излучения: при энергии электрона больше 1 кэВ магнитное поле "изгибает" траекторию электрона так, что движущийся под действием силы Лоренца электрон "пролетает" мимо "родителького иона". В недавно вышедшей работе [1] ученые из Канады предлагают способ, с помощью которого можно полностью нейтрализовать нежелательное влияние магнитного поля на электрон во всей фокальной области.

Рис.2. a - изменение плотности тока, связанной с налетающим на ион электроном, (сплошная кривая) и кинетической энергии электрона со временем; b- энергетический спектр налетающих на ионы электронов. Расчет для иона с Z = 15, длины волны лазерного возбуждения 800 нм и плотности мощности лазерного возбуждения 1021 Вт/см2.

Ученые из Оттавы предлагают использовать два циркулярно поляризованных лазерных импульса одинаковой интенсивности, распространяющихся в противоположных направлениях (рис. 1). Согласно их расчетам, в такой конфигурации энергия электрона, налетающего на ион, ограничивается лишь достижимой в настоящее время интенсивностью лазерных импульсов и может достигать десятков МэВ (рис. 2). Эти энергии вполне достаточны для наблюдения электроядерных реакций (т.е. ядерных превращений, происходящих при рассеянии электронов на ядрах). Особенно важно, что в таких экспериментах существует возможность наблюдения динамики ядерных процессов с аттосекундным временным разрешением.

Исследователи полагают, что уже разработанные методы наблюдения динамики быстропротекающих процессов с аттосекундным разрешением могут быть применены и в данном случае. Характерная длительность взаимодействия возвращающегося электрона с ядром лежит в аттосекундном диапазоне, а изменение энергии и импульса электрона со временем определяются лазерным полем. Регистрируя энергию продуктов электроядерных реакций (и импульс электрона после столкновения с ядром) можно достаточно точно определить время рождения электрона и время столкновения электрона с родительским ионом. Согласно оценкам канадских ученых, предельное временное разрешение, достижимое в таких экспериментах, может составить даже не сотни, а единицы аттосекунд.

1. Nenad Milosevic, Paul B.Gorkum, and Thomas Brabec. Phys.Rev.Lett., v.92, 013002 (2004).

Е.Онищенко