Разгоняя плазму: как российские физики готовятся трансформировать энергию лазера в материю

Лазерные технологии сегодня определяют ключевые направления научного прогресса, позволяя делать прорывные открытия в физике, медицине, материаловедении и астрофизике. Над одним из самых масштабных проектов в этой сфере, созданием экзаваттного лазера экстремальной мощности, работает доктор физико-математических наук Александр Соловьев.

Доцент кафедры общей физики Радиофизического факультета ННГУ имени Н.И. Лобачевского, заместитель заведующего отделом по научной работе, заведующий лабораторией лазерно-плазменных источников синхротронного излучения и нейтронов Института прикладной физики имени А.В. Гапонова-Грехова РАН (ИПФ РАН) и организатор лаборатории «Мультитера» Национального центра физики и математики (НЦФМ). Ранее в видеоподкасте Наука.РФ ученый рассказывал о российской лазерной системе, «преодолевшей» петаваттный порог мощности. В продолжение темы предлагаем узнать также о преимуществах разрабатываемых компактных источников излучения, создании многоцелевой платформы для решения прикладных задач и других трендах современной лазерной физики.

– Александр, что побудило Вас задуматься о физике как о профессии?

–  Интерес к физике я проявлял со школы, это было сильное внутреннее стремление, побудившее меня самостоятельно перейти из общеобразовательной школы в нижегородский Лицей №40 с углубленным изучением физики и математики. Физика оказалась настолько интересной, понятной и затягивающей, что «встав на рельсы» разгадки механизмов устройства Вселенной, «сойти» с них не получилось до сих пор. Я почему-то всегда был уверен, что физика – это мое. В 2003 году в Нижегородском госуниверситете им. Н.И. Лобачевского я получил степень магистра радиофизики, в 2012 году в ИПФ РАН защитил кандидатскую диссертацию. В прошлом году, с некоторым опозданием, связанным с административной нагрузкой, я защитил степень доктора физико-математических наук. И темп науки в своей жизни снижать в ближайшее время не планирую.  

– Ваши исследования сосредоточены на лазерно-плазменных источниках, в чем их преимущество перед синхротронами?

– Синхротроны – ускорители заряженных частиц. Это довольно громоздкие технические сооружения (их размеры достигают километров), в которых радиотехническими методами создается ускоряющее электрическое поле большой амплитуды. Для ускоряющего поля существует естественное ограничение – это пробойное напряжение, при котором вещество превращается в плазму, разрушая ускоритель. Ограничение приводит к необходимости увеличивать размер ускорителя до колоссальных размеров. Длина ускорительного кольца Большого адронного коллайдера (БАК), например, составляет 27 километров.  И это вакуумная труба, которая «обвешана» криогенным оборудованием и прочими устройствами. В этом смысле лазерно-плазменные ускорители – блестящая альтернатива, позволяющая создавать компактные устройства.

– В чем секрет компактности лазерно-плазменных ускорителей?

– В них традиционные ускоряющие промежутки заменяются плазмой, в которой при помощи лазера создаются ускоряющие поля. Плазма не боится электрического пробоя, потому что, по сути, сама является результатом электрического пробоя. Поля в плазме можно сделать в тысячи раз сильнее, чем в классических ускорителях, а значит сам ускоритель может быть в тысячи раз компактнее, что снижает себестоимость, цену обслуживания, расширяет мобильность и прикладные возможности, позволяя поместить ускоритель в лабораторию. Это принципиальное отличие от классических ускорителей, в них лаборатории строятся вокруг ускорителей и являются их неотъемлемой частью. Правда, для эффективного лазерно-плазменного ускорения нужны специальные фемтосекундные лазерные системы. За счет экстремально короткой длительности импульса пиковая мощность такого лазера может превосходить мощность всех электростанций на земле. К слову, компетенции ИПФ РАН в строительстве подобных лазеров являются уникальными и признаны на мировом уровне. Например, лазерная система PEARL – мощнейшая в России и одна из самых мощных в мире.

– Расскажите, пожалуйста, об этой лазерной системе.

– PEARL была разработана в ИПФ РАН в 2007 году, и она на многие годы опередила свое время. Был внедрен целый комплекс новых технологий, в настоящее время применяющихся фактически во всех экстремальных фемтосекундных лазерных системах. Впервые на петаваттном уровне мощности была применена технология параметрического усиления чирпированных импульсов, что стало возможно благодаря другой уникальной разработке – технологии роста и обработки широкоапертурных кристаллов DKDP (дигидроортофосфат калия). Был разработан уникальный задающий лазерный источник с чрезвычайно «остроумной» системой синхронизации, реализованы многие другие электротехнические, инженерные и лазерно-оптические решения.

– В чем заключается Ваша работа с PEARL?

– Последние 20 лет я активно участвовал в развитии и усовершенствовании этого лазерного комплекса. Под моим руководством создана и активно развивается экспериментальная лаборатория по использованию этого лазера. Сейчас мы исследуем лазерно-плазменное ускорение частиц и генерацию рентгеновского излучения, плазменную динамику по направлению «лабораторная астрофизика». В нашей «копилке» – исследования из области материаловедения и биофотоники, в которых вторичное излучение, возникшее в ходе лазерно-плазменного взаимодействия, воздействует на различные материалы и биологические объекты. И основу всему этому заложил уникальный лазерный комплекс PEARL.

– А как расшифровывается название этого комплекса?

– PEARL в переводе с английского означает «жемчужина», но эта аббревиатура расшифровывается как PEtawatt pARametric Laser – «петаваттный параметрический лазер». Созданная в 2007 году система имени не имела, по стечению обстоятельств название PEARL предложил я. Блестящие научные достижения могут рождаться и безымянными, хотя для современных масштабных научных проектов часто сначала придумывается имя, вокруг которого создается «шумиха» для привлечения финансирования. В ИПФ РАН тогда существовала выдающаяся научно-техническая база и главное – фундаментальные знания, позволившие инициативным образом создать PEARL. В те довольно непростые времена собрались квалифицированные и талантливые ученые, среди которых отмечу ключевых –  академиков Ефима Аркадьевича Хазанова и Александра Михайловича Сергеева. Без этих людей установка PEARL не появилась бы на свет. Справедливости ради отмечу, что в лазерную систему вложили свою душу еще десятки талантливых ученых и инженеров. 

– В чем актуальность этой разработки сегодня?

– Лазер PEARL фактически предопределил архитектуру современных лазерных установок экстремальной мощности. Кроме этого, лазер является центром компетенции для целого класса прикладных и фундаментальных исследований и разработки сопутствующих лазерных технологий. Лазеры на основе наших разработок интегрированы в крупные научные установки, такие как «СИЛА» («СИнхротрон-ЛАзер») Курчатовского института, установки Источник Комптоновского излучения (ИКИ), XCELS и «Мультитера», относящихся к НЦФМ. Отдельно хочется отметить проект перспективного отечественного ЭУФ-литографа с лазерно-плазменным источником на 11,2 нм, который реализуется в Институте физики микроструктур РАН (ФИЦ ИПФ РАН), при поддержке Фонда перспективных исследований. Подробнее о проекте можно узнать из моего интервью. 

– Вы также работаете над проектом класса «мегасайенс» – XCELS. Какие задачи решают Ваши исследования?

– XCELS (eXawatt Center for Extreme Light Studies) – Центр исследований экстремальных световых полей, это уникальный российский проект, созданный в рамках международного сотрудничества. Мы строим настолько мощную многоканальную лазерную систему, насколько это возможно на современном уровне технологий лазеростроения, и даже более мощную. То есть проект содержит целый ряд технологических вызовов, которые еще предстоит принять и реализовать. Классификация «мегасайенс» («меганаука») Национального проекта «Наука и университеты» подразумевает уникальность и сверхсложность исследований. Экзаваттный XCELS будет в 10 тысяч раз мощнее всех электростанций на земле и будет фокусировать излучение в наименьший объем, в который можно сфокусировать лазерное излучение в принципе. Оптические поля достигнут значений достаточных для проявления эффектов квантовой электродинамики, например, рождения из вакуума каскадов частиц.

– Как XCELS сможет запустить каскадное рождение частиц?

– Кроме рекордной мощности, проект XCELS отличается уникальной системой фокусировки: 12 каналов, мощностью 50 ПВт каждый, при когерентном сложении будут образовывать идеальной сходящуюся сферическую электромагнитную волну. Такая геометрия позволяет достичь максимальной концентрации электрического поля в фокусе, при котором пространство и время будут менять свои свойства. Ожидается что из вакуума будут рождаться частицы – электрон-позитронные пары, то есть произойдет прямая трансформация лазерной энергии в материю. Эти процессы давно предсказаны теоретически, и нет сомнений, что они происходят в экстремальных физических системах, например, при столкновении ускоренных ядер трансурановых элементов, правда, в очень умеренных количествах. Экзаваттный лазер позволит детально изучить эти процессы. Такие исследования вне всяких сомнений смогут определять то, каким образом наши потомки будут получать энергию и на что станут ее расходовать.

– Над какими конкретно направлениями в этом исследовании Вы работаете?

– Моя работа в проекте XCELS сосредоточена на двух ключевых задачах. Первая – это разработка многоканальной системы фокусировки излучения. Это большой технологический вызов, потому что лазерные каналы должны быть не только идеально сфокусированы по отдельности, но они также должны быть идеально между собой синхронизированы, с точностью до долей фемтосекунды, а точки фокусов должны быть совмещены в пространстве, с точностью до нанометров. Такую совместную фокусировку нескольких каналов излучения в физике принято называть когерентным сложением. Для лазерных каналов с размером в сотни метров когерентное сложение – это архисложная задача. Второе мое направление – интеграция в XCELS дополнительного высокочастотного канала с пиковой мощностью не менее 20 тераватт, который позволит проводить прикладные исследования. Условное название канала – «Мультитера», он является частью лаборатории «мидисайенс» с уникальным исследовательским оборудованием на базе Национального центра физики и математики. 

– В чем преимущество лаборатории «Мультитера»?

– Это объединение в одном пространстве специалистов по физике плазмы, лазерных физиков и инженеров. Ведь, как правило, в научных лабораториях лазерная система – что-то неизменное, с фиксированными параметрами. Возможность тонкой подстройки параметров лазерной системы, включая увеличение ее пиковой мощности, откроет много возможностей для повышения эффективности источников вторичного излучения с лазерным драйвером. А это и является залогом успеха прикладных исследований. 

– Приведите, пожалуйста, примеры таких прикладных задач.

– Лаборатория «Мультитера» создается как многоцелевая платформа для работы по нескольким направлениям – это лазерно-плазменное ускорение частиц, генерация терагерцевого излучения, аттосекундная физика и лабораторная астрофизика.

– Как удается применять разрабатываемые Вами технологии за пределами лаборатории? 

– Ускорение частиц (электронов, протонов) позволяет строить источники рентгеновского излучения. Их применяют в промышленной интроскопии объектов, в медицине – для диагностики и лечения онкологических заболеваний. В некоторых ситуациях ускоренные частицы непосредственно используются для воздействия на раковую опухоль.

– А какие области применения находят другие направления?

– Генерация терагерцевого излучения имеет большой потенциал для технологического применения – это приложения безопасности, медицинская диагностика, технологический контроль. Аттосекундные импульсы дают возможность изучать динамику отдельных молекул и химических реакций, что может существенно углубить наше понимание фундаментальных вопросов – от фармакологии и химии до промышленности. Лабораторная астрофизика позволяет при помощи лазеров создавать плазменные потоки похожие на те, которые формируют молодые звезды, тестировать гипотетические механизмы аккреции. «В живую» такие потоки наблюдать невозможно по причине удаленности. 

– На Ваш взгляд, что сегодня стимулирует молодого ученого к развитию?

– Для того, чтобы стать хорошим ученым, во-первых, необходимо попасть к хорошему научному руководителю. Наука ортодоксальна, и в ее основе лежит институт преемственности. Хороший руководитель создаст правильные условия для роста. Во-вторых, молодой ученый должен увидеть взаимосвязь между своими усилиями и результатом. В-третьих, важнейшим мотивирующим фактором является вовлеченность в науку: участие в научных мероприятиях, конференциях, в крупных научных проектах с амбициозными задачами.

– У Вас есть хобби, не связанное с наукой?

– Для меня лучший способ отвлечься от работы – это спорт. Моя супруга Сусанна Гордлеева – тоже ученый, доктор физико-математических наук, профессор кафедры нейротехнологий Института биологии и биомедицины ННГУ и лауреат премии Президента РФ в области науки и инноваций для молодых ученых. Спортом мы занимаемся вместе: бегаем, плаваем, катаемся на лыжах и на велосипеде. Мы это делаем системно и с большим удовольствием, лучшего способа отвлечься от рабочих проблем не существует. В этом году мы отметили юбилей свадьбы, у нас, кстати, двое детей, старшей – 12, младшему – 7 лет. 

– Александр, а что изменило для Вас участие в проекте «Наука в лицах»?

– Появилось чувство причастности к жизни страны. Работа ученых важна как в тактическом, так и в стратегическом смысле, и это понимают руководители самого высокого уровня. Проект «Наука в лицах» это подтверждает. У меня появилась возможность принести пользу не только качественно выполнив свою работу, но и продемонстрировать ценность профессионализма, хорошего естественно-научного образования, показать, что в России реализуется множество амбициозных научных проектов, таких как XCELS и ЭУФ-литография на 11,2 нм.

Беседовала Светлана Минеева