Физики измерили время торможения «сверхсветовых» электронов

Если направить мощный лазер на стеклянный образец, в нем образуются электроны, которые будут двигаться со скоростью, превышающей скорость света в среде. Из-за этого частицы будут испускать черенковское излучение и терять энергию, пока их скорость не упадет ниже скорости света. Группа ученых из Индии, Франции, Великобритании и Швейцарии экспериментально исследовала это явление и показала, что электроны остаются релятивистcкими в течение примерно 50 пикосекунд, что в несколько тысяч раз превышает длительность лазерного импульса. Статья опубликована в  Physical Review Letters.

Когда заряженная частица движется в веществе быстрее скорости света, она поляризует атомы среды и заставляет их излучать электромагнитные волны — возникает так называемое черенковское излучение. Отдаленно это излучение напоминает волны, которые расходятся от плывущего по воде катера — электромагнитные волны излучаются только в узкий конус, осью которого является траектория частицы, а угол при вершине определяется ее скоростью и показателем преломления среды. Это наблюдение позволяет определить скорость частицы и используется в детекторах элементарных частиц — например, в детекторе космических нейтрино IceCube.

Один из способов получить «сверхсветовые» электроны предполагает использование сверхмощных фемтосекундных лазеров, которые высвобождают огромное количество энергии за очень короткий промежуток времени. Если посветить таким лазером на границу прозрачной среды, образуются электроны, которые будут двигаться со скоростью, близкой к скорости света в вакууме. Из-за огромной скорости эти электроны будут создавать сильные токи плотностью до 1012 ампер на квадратный сантиметр. Несмотря на то, что такие токи исследовались несколькими группами ученых, особенности протекающих процессов до сих пор изучены плохо. В частности, нет надежных экспериментальных измерений «времени торможения» (transit time) таких электронов, то есть времени, в течение которого они излучают электромагнитные волны благодаря эффекту Вавилова-Черенкова, пока не растеряют свою энергию.

Группа ученых под руководством Равиндры Кумара (Ravindra Kumar) измерила это время, наблюдая за эволюцией черенковского излучения с помощью оптического эффекта Керра. Для этого они сфокусировали титан-сапфировый лазер мощностью около ста тераватт и длительностью импульса около 25 фемтосекунд в узкое пятно на поверхности стеклянного образца (стекло BK7, показатель преломления n = 1,5), зажатого между пластинками алюминиевой фольги. Под действием импульса в образце образовались быстрые электроны, которые стали испускать черенковское излучение. Полученное излучение экспериментаторы фокусировали и пропускали через систему поляризационных пластинок и ячейки из дисульфида углерода, а затем регистрировали с помощью камеры с ПЗС-матрицей. Из-за эффекта Керра поляризация света, проходящего через ячейку, периодически поворачивалась, и камера могла регистрировать черенковское излучение только в узкие промежутки времени с интервалом две пикосекунды. Это позволило проследить за изменением интенсивности излучения со временем.

Полный текст статьи - https://nplus1.ru/

Поиск