В феврале 2026 года международная группа физиков под руководством учёных из Университета Осаки и других институтов Японии опубликовала в журнале Physical Review Research работу, которая имеет все шансы стать весьма важным шагом к созданию компактных источников когерентного рентгеновского излучения.
Специалисты продемонстрировали, что лазерно-плазменный ускоритель (он же laser wakefield acceleration, LWFA) может генерировать стабильные, высококачественные, моноэнергетические электронные пучки, которых будет достаточно для работы свободного электронного лазера (free-electron laser, FEL) в экстремальном ультрафиолетовом диапазоне.
Вот как устроено лазерно-плазменное ускорение. В обычных ускорителях частицы разгоняются в вакуумных трубах с помощью мощных электромагнитных полей. Это требует огромных размеров и энергозатрат. А вот в LWFA лазерный импульс высокой интенсивности сначала проходит через плазму (ионизированный газ), после чего создаёт за собой своеобразную плазменную волну. Электроны, которые попадают в правильную фазу этой волны, захватываются и тут же разгоняются до релятивистских скоростей на расстоянии всего нескольких миллиметров. При этом градиенты ускорения в такой системе в тысячи раз выше, чем в привычных нам ускорителях частиц.
Эксперимент
Для проведения эксперимента учёные использовали довольно-таки компактный лазер с энергией импульса всего в 0,8 Джоулей. Благодаря точному контролю плотности плазмы, условий инжекции электронов, стабильности лазерного фронта а также самой газовой струи они смогли получить:
- высококачественные моноэнергетические электронные пучки с отличной воспроизводимостью от выстрела к выстрелу.
- стабильный пучок, который затем был направлен в ондулятор (периодическую магнитную структуру).
- уже в самом ондуляторе получили свободный электронный лазер с центральной длиной волны 40 нм (экстремальный ультрафиолет).
Де-факто это первая успешная демонстрация свободного электронного лазера, полностью приводимого в действие лазерно-плазменным ускорителем.
Традиционные свободные электронные лазеры (такие как XFEL в Европе или LCLS в США) — это огромные установки длиной в несколько километров и стоимостью в сотни миллионов долларов. Их польза в том, что они дают уникальные возможности для исследования структуры вещества в атомном масштабе. Есть и существенный минус в плане доступность — они есть лишь в нескольких крупных научных центрах.
В целом, эта работа показывает реальный путь к компактным и относительно недорогим источникам когерентного излучения в XUV-диапазоне, которые в будущем можно разместить в университетских лабораториях или вообще использовать в промышленности.
Авторы создали симуляционный фреймворк, включающий ускорение электронов, их перемещение и генерацию излучения в FEL. Симуляции на каждом этапе хорошо согласуются с экспериментальными данными.
Какие тут есть перспективы
Если описанную выше технологию удастся дальше развить и масштабировать, она вполне может открыть путь к:
- настольным источникам мягкого рентгеновского излучения.
- не менее компактным FEL уже для биологических исследований, материаловедения и нанотехнологий.
- куда более доступным инструментам для изучения быстропротекающих процессов в веществе.
Теперь мы можем уверенно говорить, что лазерно-плазменные ускорители уже приближаются к тому уровню качества электронных пучков, который и будет необходим для практических применений в качестве драйверов свободных электронных лазеров.