Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова
Источник: http://www.msu.ru/science/articles/20130709.html
Международный коллектив ученых из МГУ, ОИВТ РАН (Россия), Канзайского института фотонных исследований и Высшей школы по созданию новой фотонной индустрии в Хамамацу (Япония) доказал, что существуют миражи в рентгеновской области спектра
Лет 10 назад я спрашивал у знающего человека: раз есть красные, зеленые и голубые лазеры, то может быть есть ультрафиолетовые и рентгеновские? Мне говорили: о да, лазеры, излучающие в ультрафиолете существуют, — очень опасная вещь для кожи, не говоря уж про глаза, но вот с рентгеновскими лазерами — сложность. Непонятно, что должно быть источником. Возможно, мой собеседник был просто не в курсе, что на самом деле идея таких лазеров существует уже много лет. Впервые она была обоснована в 1973 году на кафедре общей физики и волновых процессов физфака тогдашним ректором МГУ Ремом Хохловым. А в 1981-ом о возможности создания рентгеновских лазеров с ядерной накачкой заявили американцы, и на этой основе разработали свою знаменитую космическую программу «Звездных войн».
Сейчас рентгеновские лазеры уже вовсю работают — не на войну — на науку, а традиции, заложенные 40 лет на физфаке МГУ, продолжают жить. Весьма изящная работа, выполненная его сотрудниками в составе интернациональной группы ученых из России и Японии, была недавно опубликована в Nature Communications (DOI:10.1038/ncomms2923). При изучении свойств рентгеновского лазера исследователи впервые смогли наблюдать мираж в рентгеновском диапазоне спектра. Более того, в процессе поиска физических основ наблюдаемого явления, им удалось не только определить условия, необходимые для формирования в рентгеновском лазере миражей, но и впервые разработать теорию возникновения этого примечательного явления. «Мы построили общую теорию миража, и, насколько мы понимаем, в оптике ее раньше не было, — имелось только качественное объяснение», — комментирует статью участник работы со стороны физического факультета МГУ, доцент кафедры общей физики и волновых процессов Сергей Магницкий.
Миражи в оптическом диапазоне хорошо известны как красивое и загадочное явление, зарождающееся в атмосфере Земли. Всем известны примеры миражей в пустыне, — когда утомленный путешественник видит на земле нечто похожее на воду. Да и на раскаленном асфальте тоже иногда можно наблюдать ненастоящие лужицы.
Главная причина возникновения миражей — сильная неоднородность воздуха из-за разного прогрева его слоев. Распространение лучей в такой среде далеко от прямолинейного (очень сильно различаются показатели преломления различных слоев воздуха), и в итоге наблюдатель вместе (или вместо) отдалённого объекта видит его мнимое изображение, смещённое относительно оригинала.
Работая с рентгеновским лазером, исследователи наблюдали чередование темных и светлых колец — интерференционную картину рентгеновских лучей от двух когерентных источников. Явление было необычным, ведь в лазере источник (генератор) излучения, вообще говоря, один. «Происхождение этих колец было исключительно странным, и на первый взгляд, совершенно необъяснимым», — рассказывает Магницкий. Однако вскоре удалось разобраться в этом явлении и объяснить его природу, в том числе математически.
Хорошо известно, что в обычных средах показатель преломления для рентгеновского излучения очень мало отличается от единицы. В сущности по этой причине до сих пор, несмотря на более чем столетнюю историю широчайшего применения рентгеновского излучения, миражей в этом диапазоне не наблюдалось. Появление мощных лазерных установок полностью изменило ситуацию, так как позволило создавать новую среду — плазму с электронной плотностью, превышающей 1019 см-3, где рефракция рентгеновского излучения играет большую роль1. К таким средам относятся, например, активные среды рентгеновских лазеров.
Для описания наблюдаемого феномена, ученым удалось разработать универсальный алгоритм — они вывели уравнение, с помощью которого математически можно описать не только рентгеновский, но и любой другой мираж.
Для расчета распространения рентгеновских лучей в плазме ученые МГУ изобрели специальный подход, где учитывались ее гидродинамические параметры. Они показали, что в плазме создается второй, мнимый, источник излучения, который жестко связан по фазе с генератором – иными словами, когерентен с ним. Взаимодействие излучения этих источников приводит к образованию интерференционной картины — по сути миража, но с новым отличительным свойством — когерентностью.
По словам Сергея Магницкого, результаты работы можно дальше развивать в двух интересных практических направлениях. Во-первых, это рентгеновские голограммы, которые реализуемы из-за возникновения в плазме двух когерентных рентгеновских источников. Причем, изображения объектов могут быть получены с очень высоким разрешением порядка 10 нм. «В этом направлении мы уже активно работаем», — говорит ученый. Во-вторых, это так называемый клоукинг – специальные покрытия, с помощью которых объекты делают невидимыми. «В оптике (т.е. для видимого света. — Ред.) здесь достигнуты определенные успехи, — рассказывает Магницкий. — Теперь представьте, что в оптическом диапазоне все готово, достигнута невидимость каких-то вещей. Но если использовать рентгеновский источник излучения, то все они сразу станут видны. Раньше казалось, что клоукинг здесь невозможен, поскольку эффект от него — по сути разновидность миража, а рентгеновских миражей никто до нас не наблюдал. Наши результаты открывают возможность хотя бы начать думать о таких покрытиях, которые бы сделали объекты невидимыми и в рентгене». «Но клоукинг в рентгене – это перспектива весьма далекого будущего», — добавляет ученый.