Физики из лондонского Имперского колледжа научились с помощью лазера нагревать вещество до температуры, превышающей температуру ядра Солнца, всего за 20 фемтосекунд (квадриллионных части секунды). Скорость у нового метода в 100 раз выше, чем у самых продвинутых лазерных систем, заявляют разработчики. Об изобретении сообщается в журнале Nature Communications.
Новый метод важен прежде всего для разработки технологии термоядерного синтеза. Для работы реакторов необходимо воссоздать условия и процессы, происходящие в недрах Солнца, и быстро нагреть вещества до сверхвысоких температур. Просто «бить» лучом максимально сильного лазера недостаточно — важно также усовершенствовать процесс нагрева материала.
Обычно лазерный пучок нагревает электроны в веществе, а потом те нагревают ионы, составляющие основную массу. Данный процесс является сравнительно долгим. Ученые пытались придумать, как нагревать непосредственно ионы. Они выяснили, что при попадании луча лазера с высокой плотностью потока излучения на определенные материалы возникает электростатическая ударная волна.
Само по себе это открытие не ново, однако такого рода волны раньше лишь «расталкивали» ионы перед собой, не создавая никакого эффекта нагрева. Ученые во главе с Артуром Тареллом (Arthur Turrell) в ходе моделирования на суперкомпьютере обратили внимание на то, что материалы с высокой плотностью (пластмасса и гидрид цезия) обладают особой комбинацией ионов, которые разгоняются с различной скоростью. Это создает нужное для нагрева трение. Кроме того, из-за плотности материала ударная волна уплотняет ионы в десять раз, что также усиливает влияние трения.
«Ионы двух типов в этих веществах выступают в роли спичек и коробка — чтобы зажечь пламя, нужны оба компонента. Спичка сама по себе не загорится: необходимо трение, возникающее при ударе ею о коробок», — поясняет соавтор статьи Марк Шерлок (Mark Sherlock).
Пока новая техника остается на уровне теоретических моделей. Данные ученых показывают, что с ее помощью можно нагреть небольшое количество твердого вещества до 11,6 миллиона градусов по Цельсию за несколько десятков фемтосекунд. Сейчас исследователи планируют доказать истинность модели экспериментально.
«При столкновении атомов в ускорителях (вроде Большого адронного коллайдера) температуры еще выше, однако там речь идет о единичных парах элементарных частиц. Наша техника, напротив, может быть реализована на лазерных установках по всему миру и нагревать твердое вещество», — резюмирует Таррелл.