Вперше випробувано найпотужніший у світі лазер на вільних електронах

Європейський лазер на вільних електронах (European XFEL) згенерував свій перший пучок когерентного рентгенівського випромінювання. Згідно з проектом, установка стане найяскравішим джерелом рентгену, в десятки тисяч разів перевершивши світність синхротронів. Офіційно XFEL почне роботу у вересні, його основне призначення - дослідження атомарної і молекулярної структури матеріалів (у тому числі біологічних). Про це повідомляє прес-реліз організації.

Довжина хвилі рентгенівського випромінювання в сотні разів менша, ніж у видимого світла - вона порівнянна або набагато менше розмірів атомів. Це дозволяє активно використовувати його для вивчення атомарної структури кристалів. Є кілька видів джерел рентгенівського випромінювання. Вперше рентген був виявлений в катодних трубках - приладах, в яких електрони зриваються з катода, прискорюються електричним полем і врізаються в анод, змушуючи останній генерувати випромінювання за рахунок електронних переходів в атомах. Подібні джерела використовуються, наприклад, в рентгенівських апаратах в поліклініках.

Більш інтенсивне випромінювання генерується на прискорювачах заряджених частинок. Згідно із законами електродинаміки, заряджена частинка, яка рухається з прискоренням, випромінює фотони. Якщо при цьому кінетична енергія (і швидкість) частинки велика, то великою виявляється і енергія фотонів. Одними з найпотужніших джерел рентгенівського випромінювання є синхротрони. У них електрони рухаються з навколосвітніми швидкостями по колу, діаметром в сотні метрів і відчувають центростремне прискорення завдяки поворотним магнітам. Яскравість синхротронів на кілька порядків вище, ніж у катодних трубок.

Наступний крок розвитку рентгенівських джерел - лазери на вільних електронах. На відміну від синхротронів, ці установки лінійні. Електрони в них прискорюються надпровідними резонаторами і прямують в ондуляторну лінію. Вона складається з величезного числа магнітів з полярністю, що чергується - вони відхиляють електрони від початкової траєкторії то вліво, то вправо. На кожному такому повороті випускаються кванти рентгенівського випромінювання.

У Європейському лазері на вільних електронах кількість таких магнітів перевищує 17 тисяч. Перш ніж потрапити в ондулятор, електрон пролітає через 2,1-кілометрову прискорювальну лінію. Загальна його довжина становить 3,4 кілометра, прилад розташовується неподалік від Гамбурга (Німеччина). Основна частина лазера знаходиться під землею. Це найбільший лазер на вільних електронах з існуючих.

У рамках першого пуску установки вченим вдалося отримати лазерні пучки з довжиною хвилі 0,8 нанометра. Частота генерації коротких імпульсів становила один герц - один імпульс на секунду. Коли установка вийде на проектну потужність, за одну секунду буде генеруватися 27 тисяч таких 100-фемтосекундних імпульсів. Очікується, що з її допомогою можна буде зняти «відео» того, як змінюються молекули в ході хімічних реакцій. Наприклад, за допомогою попередників E-XFEL фізики зняли вибухи нанометрових ксенонових кластерів, розрив зв'язку в молекулі іоду і циклогексадієна, а також рух ударної хвилі в алмазі.

European XFEL - не перший лазер на вільних електронах. Вперше подібний лазер був створений в 1971 році в Стенфорді. Частота випромінювання таких систем може варіюватися від рентгенівської до інфрачервоної. Найяскравіший рентгенівський лазер на вільних електронах знаходиться на даний момент в національній прискорювальній лабораторії SLAC (Стенфорд) - LINAC. Довжина хвилі його випромінювання може бути встановлена в межах від 0,13 до 6,2 нанометрів.