Физики поставили рекорд по времени непрерывной работы лазерно-плазменного ускорителя
Немецкие ученые добились стабильной работы лазерно-плазменного ускорителя электронов в течение более чем 27 часов. Непрерывная работа установки позволила сузить флуктуации параметров ускорения и набрать большую статистику, из которой исследователям удалось вычленить корреляцию между параметрами лазера и колебаниями максимальной энергии электронов. В результате физики научились моделировать колебания конечной энергии частиц с точностью до десятых процента. В будущем такой метод может помочь реализовать активную стабилизацию пучка электронов прямо в процессе ускорения, которая необходима для применения лазерно-плазменных ускорителей в прикладных и научных целях. Статья опубликована в журнале Physical Review X.
В современных ускорителях заряженные частицы приобретают энергию в радиочастотных резонаторах, которые прошли длинный путь от простейших установок до сверхпроводящих систем с замысловатой геометрией и сложнейшей технологией производства. Все это выливается в крайне высокую стоимость таких резонаторов, а фундаментальные ограничения на достигаемые в них поля не дают ускорять частицы с темпом больше, чем несколько десятков мегаэлектронвольт на метр. В результате с увеличением желаемой энергии частиц неизбежно растут размеры и цены установок.
Чтобы решить эти проблемы, физикам нужно найти принципиально новые способы ускорения частиц. Наиболее перспективным пока что является метод лазерно-плазменного ускорения, который ученые уже научились использовать для электронов и достигли в два раза большего темпа ускорения, чем на установках с радиочастотными резонаторами. В рамках этого метода электроны приобретают энергию в поле, которое формируется вызванными лазером колебаниями плазмы и связанным с ними перераспределением пространственного заряда. Таким образом, в лазерно-плазменных ускорителях электрон «цепляется» за волны плазмы и за счет существующей в них разности потенциалов увеличивает свою скорость.
Однако у этого метода есть несколько существенных недостатков: из-за тяжело контролируемых флуктуаций параметров установки физикам пока что не удается достигнуть стабильного ускорения на большом расстоянии до действительно высоких энергий, характерных для методов с использованием резонаторов. Эти флуктуации в работе лазерно-плазменных ускорителей возникают из-за того, что формально для каждого нового сгустка электронов создается новая ускоряющая емкость, на параметры которой, а значит и на конечную энергию электронов, сильно влияют колебания характеристик лазера. В результате пучки электронов высокого качества (с малым разбросом по энергиям как в поперечном сечении, так и по оси пучка) на лазерно-плазменных ускорителях получаются крайне редко и с высокой долей случайности.
Эту проблему и попыталась решить группа Андреаса Майера (Andreas Maier) из Гамбургского университета на лазерно-плазменном ускорителе LUX. Установка была создана с минимальным количеством степеней свободы, чтобы уменьшить возможные флуктуации, а оставшиеся неизбежные колебания параметров лазера и энергии электронов тщательно отслеживались с помощью многостадийной системы мониторинга. Майер и коллеги ставили в приоритет не энергию или темпы ускорения, а его качество и продолжительность: в этих целях установка работала не на максимальной энергии лазера, что уменьшило переносимый заряд, а также пространственное и импульсное поперечное сечения пучка. Конечную энергию ускоренных электронов ученые узнавали с помощью спектрометра с разрешением в 1 процент от средней максимальной энергии в пучке.
Физикам удалось добиться стабильной работы ускорителя в течение более чем 27 часов, за это время было последовательно ускорено 100000 сгустков электронов, которые подавали в ускоритель с частотой в 1 герц. Такой результат на порядок превосходит достижения предыдущих подобных исследований, и позволил авторам достигнуть высокой точности в работе с набранной статисткой. Средняя максимальная энергия электронов в пучке составила 368 мегаэлектронвольт с колебаниями в 2,4 процента, средний заряд в пучке — 25 пикокулон с колебаниями в 11 процентов, а средний разброс энергии в пучке — 54 ± 15 мегаэлектронвольт.
Отдельное внимание ученые уделили анализу колебаний в установке и их моделированию с последующим сопоставлением с реальными данными. Физики использовали данные за 2 часа работы ускорителя, чтобы установить главные причины флуктуаций и их связь с максимальной энергией в сгустке электронов. Этими причинами в первую очередь оказались энергия лазера, продольное положение фокуса лазера и направление лазера при попадании на фокусирующий элемент. Учтя собранные зависимости, исследователи создали модель, которая по регистрируемым параметрам лазера предсказывала значения максимальной энергии электронов в пучке с погрешностью меньше 1 процента в течение 6 часов дальнейшей работы ускорителя.
Авторы указывают на то, что созданная модель описывает не все возможные факторы колебаний, так как смоделированные флуктуации составили 1,9 процента против зарегистрированных 2,4 процента. Таким образом, улучшение и дополнение представленного подхода моделирования флуктуаций внутри установки может позволить добиться еще более точных предсказаний. Физики также указывают на важность проведения подобных экспериментов и создания схожих моделей, чтобы в будущем научиться активно подавлять колебания продольных и поперечных импульсов электронов в методе лазерно-плазменного ускорения. Ведь до появления способов «охлаждения» электронных пучков в ускорителях нового типа последние вряд ли смогут использоваться в реальных задачах.
Ранее физики уже
проект европейского лазерно-плазменного ускорителя для прикладных задач, а также
метод ускорения электронов с помощью лазера, но без участия плазмы. Про то, как будущее ускорительной техники видят в ЦЕРНе, мы рассказывали в материале
.
Никита Козырев
Пока эти результаты вызывают сомнения
Физики из Южной Кореи обнаружили у апатита свинца, в котором часть атомов свинца замещена медью, сверхпроводящие свойства при комнатной температуре. Ученые утверждают, что полученный методом твердотельного синтеза материал — первый сверхпроводник при комнатной температуре и атмосферном давлении. Температура перехода разрушения сверхпроводящего состояния достигает в нем 127 градусов Цельсия, пишут исследователи в препринтах (1, 2) на arXiv.org. Впрочем, некоторые физики уже выразили сомнения в обоснованности опубликованных результатов. Сверхпроводимость — эффект, при котором у некоторых материалов электрическое сопротивление становится нулевым, — обычно наблюдается при экстремально низких температурах. Лишь в конце XX века удалось получить материалы, обладающие высокотемпературной сверхпроводимостью. Первым материалом с критической температурой (Тс) выше точки кипения азота (-195,8 градуса Цельсия) был оксид итрия-бария-меди. Только в 2010-х годах были открыты новые типы сверхпроводников, способных сохранять свои свойства при температурах, более близких к комнатной. При сверхвысоких давлениях (более миллиона атмосфер) сверхпроводящие свойства возникают и у гидридов многих элементов, например, у сероводорода. Недавно физики подтвердили наличие сверхпроводимости гидрида лантана LaH10 при −23 градусах Цельсия. Уже в этом году американские ученые получили сверхпроводимость гидрида лютеция, легированного азотом, при комнатной температуре и умеренно экстремальном давлении. Впрочем, другие группы воспроизвести их результаты пока не смогли. Группа корейских физиков под руководством Ли Сукбэ (Sukbae Lee) из Центра исследований квантовой энергии обнаружила, что в материале на основе апатита свинца Pb10-xCux(PO4)6O (доля x составляет от 0,9 до 1,1) сверхпроводящие свойства наблюдаются при комнатной температуре и атмосферном давлении, то есть без необходимости сжимать образец до сотен миллионов атмосфер. Материал LK-99 получен с помощью твердотельного синтеза в герметичной трубке, вакуумированной до 1,3 × 10-6 атмосфер. Анализ полученного порошка LK-99 при помощи рентгеновской дифракции показал, что величина постоянной его кристаллической решетки на 0,48 процентов меньше, чем у апатита свинца. Ученые связали это изменение с частичным замещением атомов свинца на более компактные по размеру атомы меди. Авторы исследования полагают, что это привело к возникновению внутренних механических напряжений в кристалле, которые в конечном итоге и стали причиной сверхпроводимости. Наличие сверхпроводимости в материале ученые подтвердили, наблюдая левитацию образца в магнитном поле за счет эффекта Мейснера, а также исследуя зависимость удельного сопротивления вещества от температуры. Физики определили, что критическая температура (Тс), при которой образец LK-99 терял сверхпроводящие свойства, составляет от 104 до 127 градусов Цельсия. Ниже этой температуры ученые выделили несколько характерных участков. В диапазоне до примерно 60 градусов Цельсия удельное сопротивление практически равнялось нулю с незначительными шумовыми сигналами. При более высоких температурах наблюдался плавный рост удельного сопротивления. Авторы интерпретировали этот рост как локальные нарушения сверхпроводимости в отдельных областях поликристаллического образца. Если результаты корейских физиков подтвердятся, LK-99 может стать первым веществом со сверхпроводимостью при комнатной температуре и атмосферном давлении. Впрочем, исследования сверхпроводимости при комнатной температуре часто вызывают вопросы у научного сообщества, даже если добираются до публикации в рецензируемых журналах. Например, после проверок в 2022 году из Nature отозвали статью американских исследователей, которые нашли сверхпроводимость при 17 градусах Цельсия в смеси сероводорода, метана и водорода. Технические вопросы, из-за которых отозвали статью о сверхпроводимости углеродистого сероводорода, возникли и к этой работе. Так, сомнения в обоснованности выводов корейских ученых высказал профессор химического факультета МГУ Евгений Антипов, который вместе с Сергеем Путилиным открыл в 1993 году новое семейство ртутьсодержащих сверхпроводящих купратов. Один из них — HgBa2Ca2Cu3O8+x — на настоящий момент имеет рекордную подтвержденную на данный момент критическую температуру, −138 градусов Цельсия. В разговоре с N + 1 химик прокомментировал открытие коллег: «Я не думаю, что эта статья выйдет в каком-либо серьезном журнале, потому что она не отвечает принятым стандартам. У меня вызывает большие сомнения возможность реализации сверхпроводимости в соединении с такой формулой. Это оксофосфат двухвалентного свинца, а двухвалентный свинец отличается тем, что у него свободные электроны локализованы, они не могут переходить в зону проводимости — а значит они будут локализованы на катионах свинца». Вопросы у Антипова вызвала и возможность замещения двухвалентного свинца на двухвалентную медь в том синтезе, который проводили корейские ученые: «Представленные данные не убеждают в возможности такого замещения, так как в образце присутствует примесь сульфида меди Cu2S. С точки зрения кристаллохимии это выглядит не очень обоснованно, а с точки зрения эксперимента — они получили образец с примесями, при этом примеси там много. Поэтому говорить, что медь находится в позиции свинца, когда она присутствует в виде примесей — не обосновано». Физики продолжают изучать различные вещества и способы достичь высокотемпературной сверхпроводимости. Например, ранее мы писали, как сверхпроводимость ищут даже в радиоактивных веществах. О том как механическое напряжение помогает получить состояние сверхпроводимости в графене читайте в нашем материале «Тонко закручено».