Международная команда физиков провела серию экспериментов, в ходе которых лазерный импульс направлялся на облако заряженных частиц. Под воздействием сверхмощного излучения плазма начинала вести себя как поверхность, несущаяся навстречу лучу на скоростях, близких к световым. В таких условиях в игру вступают эффекты теории относительности: отраженный свет не просто возвращается назад, а претерпевает сильное сжатие и резкий скачок энергии.
Квантовая фокусировка позволила достичь экстремальной интенсивности света
Физики из Оксфордского университета совместно с международной группой исследователей успешно продемонстрировали метод резкого усиления интенсивности лазерного излучения. Используя установку Gemini, ученые создали условия, в которых плазма работает как движущееся с колоссальной скоростью зеркало, «сжимающее» свет.
Вакуумная камера во время взаимодействия. Импульс лазера с релятивистской интенсивностью фокусируется на стеклянной мишени. В результате взаимодействия возникает зеленая светящаяся плазма и фиолетовый гармонический пучок, содержащий поля света с чрезвычайно высокой когерентностью, пригодные для исследований квантового вакуума. Timmis et al. 2026.
«Сжатие» света. Принцип работы плазменного зеркала основан на доплеровском сдвиге частоты. Когда свет отражается от объекта, движущегося навстречу с релятивистской скоростью, длина волны сокращается, а частота растет. В плазме электроны колеблются под действием лазера так быстро, что их масса увеличивается согласно законам Эйнштейна. Это заставляет плазму «отталкивать» свет с невероятной силой, превращая обычный лазерный импульс в сверхкороткую и сверхмощную вспышку аттосекундного (10^-18 секунды).
Этот процесс, известный как генерация релятивистских гармоник, можно сравнить с изменением высоты звука сирены проносящейся мимо машины. В поставленном эксперименте масштабы энергии позволили достичь ранее недоступной яркости ультрафиолетового излучения. Работа опубликована в журнале Nature.
Оптическая настройка спектрометра OHREX с использованием зеленого лазера и диафрагм.
Разработанная методика открывает возможности для прямого изучения квантового вакуума без использования сложных ускорительных систем. Ранее для подобных опытов требовалось сталкивать частицы с лазерными пучками, что создавало огромные трудности в интерпретации данных из-за необходимости пересчета результатов между разными системами координат.
Новый подход позволяет наблюдать взаимодействие света и материи непосредственно в лабораторных условиях, упрощая проверку фундаментальных законов квантовой электродинамики. Как отмечает соавтор работы профессор Брендан Дроми: «Эта работа представляет собой сочетание лазерных технологий, физики плазмы и науки об ультрабыстрых материалах, тонко настроенное для устранения давнего несоответствия между теорией и экспериментом, которое сдерживало развитие области более двух десятилетий».
Когерентный фокус
Иллюстрация по фотографии. Генерация когерентного гармонического фокуса (CHF). Луч лазера фокусируется на мишени, а отраженный пурпурный луч образует CHF чрезвычайно высокой интенсивности.
Помимо создания «плазменного зеркала», исследователи представили технологию когерентного гармонического фокуса. Этот метод работает по аналогии с увеличительным стеклом, собирающим солнечные лучи в одну точку, но на квантовом уровне.
Ученые объединили множество различных длин волн лазерного света, сфокусировав их в экстремально малом пространстве. Такое концентрирование энергии позволяет создавать настолько плотные поля, что они способны напрямую взаимодействовать с виртуальными частицами в вакууме. Результаты моделирования указывают на то, что команде, возможно, удалось создать самый интенсивный источник когерентного света в истории науки. Дальнейшие шаги предполагают перенос этих опытов на еще более крупные лазерные установки для подтверждения предельных значений яркости.