Новый рекордный лазер поможет заглянуть в космос и вылечить рак

Физики создали лазерный луч невероятной интенсивности. Они как будто сфокусировали весь достигающий Земли солнечный свет в пятно, которое многократно меньше сечения человеческого волоса. Долгожданный рекорд сулит прорывы во многих областях, от фундаментальной физики до лечения рака.

Лазеры давно вошли в наш быт (вспомним, например, о лазерных указках или компакт-дисках) и стали верными помощниками на производстве. Вместе с тем лазеры остаются незаменимым научным инструментом. С их помощью можно манипулировать отдельными клетками, изучать антиматерию, воссоздавать условия планетарных недр и грандиозных космических взрывов, а также делать множество других интересных вещей.

Разумеется, простор для экспериментов с лазерным излучением ограничивается возможностями самих лазеров. Поэтому физики неустанно работают над тем, чтобы сделать эти излучател мощнее, быстрее или лучше ещё в каком-нибудь смысле.

Солнце на волоске

Один из важных параметров лазера – поток излучения, или, как его иногда называют, интенсивность. Это мощность излучения, падающая на единицу площади облучаемой поверхности. Именно по этому показателю был достигнут недавний рекорд.

Напомним, что мощность излучения, измеряемая в ваттах, – это энергия, выделяемая в единицу времени. Повысить мощность лазерного луча можно, либо взяв более впечатляющий источник энергии, либо испуская луч как можно более короткими импульсами, чтобы "упаковать" выделенную энергию в краткий миг.

Наращивать энергопотребление установки – сложная задача. Никто не будет строить Братскую ГЭС ради одного лазера, да и "переварить" гигантскую энергию не так просто. Именно поэтому рекордная мощность лазеров, работающих в непрерывном режиме, составляет "всего" несколько мегаватт. Зато за счёт сокращения продолжительности импульса до пико- или фемтосекунд можно увеличить мощность в одном импульсе до нескольких петаватт (10¹⁵, или тысяча триллионов, ватт).

Лазер в Центре релятивистских лазерных исследований Института фундаментальных наук в Республике Корея эксплуатируется с 2016 года. Он генерирует импульсы мощностью в четыре петаватта. По нынешним временам это уже не рекорд, но более мощные установки можно пересчитать по пальцам.

Учёные, работающие с этим инструментом, в течение нескольких лет трудились над системой максимально точной фокусировки излучения. В итоге они уменьшили диаметр луча с 28 сантиметров до одного микрометра (менее 2% от толщины человеческого волоса). Таким образом, теперь вся огромная мощность лазера приходится лишь на небольшой участок мишени.

В новом эксперименте лазер течение восьми секунд испустил 80 импульсов длительностью в несколько фемтосекунд (10^-15, или тысячная доля триллионной доли секунды) и мощностью в четыре петаватта. В среднем за эти восемь секунд на крошечный (порядка 10^-16 см²) облучаемый участок мишени пришлась мощность порядка 10 мегаватт. В пересчёте на квадратный сантиметр она составила 10²³ ватт. Другими словами, интенсивность излучения достигла 10²³ Вт/см².

Это вдесятеро больше предыдущего рекордного значения, достигнутого почти двадцать лет назад в США. Представить себе масштабы рекорда поможет такая аналогия: подобную интенсивность можно получить, если весь достигающий Земли солнечный свет сфокусировать в луч диаметром 10 микрометров.

Луч надежды

Эксперименты с лазерным излучением такой интенсивности могут обеспечить прорыв во многих областях, от фундаментальной физики до медицины.

Самый широкий простор открывается для физиков, исследующих взаимодействие света и вещества. Они наконец смогут экспериментально проверить многие идеи, высказанные теоретиками уже около века назад. До сих пор не было технической возможности проделать нужные опыты, а теперь она появилась.

Новое достижение заинтересует и астрономов. Они смогут проверить свои гипотезы о происхождении космических лучей высоких энергий – таинственных частиц, приходящих с просторов Вселенной. Споры об их природе ведутся уже многие десятилетия.

Как ни удивительно, достижение может подарить новую надежду больным раком. Дело в том, что в последнее время бурно развивается протонная лучевая терапия – облучение раковой опухоли ускоренными протонами. Сегодня для этого используются обычные ускорители частиц, а это очень дорогие установки. Возможно, что с помощью мощных лазеров будет куда проще получать ускоренные протоны. Их источники станут дешевле, а значит, лечение будет доступнее для пациентов. Эксперименты с лазером рекордной интенсивности могут проложить дорогу этой технологии.

Подробности исследования изложены в научной статье, опубликованной в журнале Optica.

Больше новостей из мира науки вы найдёте в разделе "Наука" на медиаплатформе "Смотрим".