Впервые команда учёных из Казанского федерального университета, Института прикладной физики РАН (Нижний Новгород) и Техасского университета разработала уникальный метод управления гамма-излучением с помощью низкочастотных акустических волн. Они добились того, что железо, традиционно выступающее мощным поглотителем высокоэнергетических гамма-квантов, стало практически прозрачным для этих лучей. Это открытие знаменует важный этап в развитии современных технологий квантовой оптики и создает новые перспективы для физики высоких энергий.
Инновационный подход: от теории к практике
Основная сложность при работе с гамма- и рентгеновским излучением заключается в том, что существующие методы когерентной оптики, широко применяемые для управления световыми потоками в оптическом диапазоне, неприменимы в области высоких энергий. Традиционные материалы и схемы, эффективные в инфракрасных или видимых частях спектра, оказываются бессильны в жестких рентгеновских и гамма-диапазонах.
Сотрудники Казанского федерального университета, Института прикладной физики РАН и Техасского университета предложили изящное решение: воздействовать на спектральные свойства атомных ядер посредством акустических колебаний вещества. Такой подход позволил тонко настраивать взаимодействие между фотонами гамма-диапазона и ядрами железа, открыв новые возможности для управления их прозрачностью.
Экспериментальный успех и его масштабы
В лабораторных условиях, используя фольгу из нержавеющей стали толщиной всего 25 микрометров, ученым удалось продемонстрировать эффекты так называемой акустически индуцированной прозрачности (AIT). Под воздействием специальных вибраций, создаваемых пьезоэлектрическим преобразователем, фольга становилась крайне прозрачной для одиночных гамма-фотонов с энергией 14,4 кэВ. Впечатляющее достижение – увеличение коэффициента пропускания в 150 раз, при этом спектр излучения оставался без искажений по энергии и времени прохождения.
Комментарий руководителя лаборатории мессбауэровской спектроскопии КФУ Фарита Вагизова подчеркивает значимость происходящего: «Когда мы воздействовали на поглотитель с Fe-57 посредством пьезоэлектрического преобразователя, смогли сделать материал практически прозрачным для резонансных гамма-лучей. Достигнутая амплитуда вибраций подавила поглощение фотонов почти в 150 раз».
Квантовые явления и аналогии с оптикой
Механизм явления обусловлен удивительными квантовыми эффектами. Оказывается, возникающая при воздействии акустических волн интерференция между различными квантовыми состояниями снижает вероятность поглощения гамма-фотонов ядрами железа. Это явление аналогично хорошо известному эффекту электромагнитно-индуцированной прозрачности, когда определённый спектр света перестает поглощаться благодаря тонкой настройке энергетических переходов в атомах и молекулах. Подобная управляемость впервые реализована для столь высокоэнергетических квантов.
Успех, достигнутый учеными, открывает возможности не только для фундаментальной науки, но и для самых современных технологий. Новый способ управления гамма- и рентгеновским излучением можно использовать для работы с мощнейшими синхротронными источниками, рентгеновскими лазерами и в разработке квантовых устройств следующего поколения.
Перспективы и потенциал открытия
Введение акустического метода управления прозрачностью металлических поглотителей на основе железа предоставляет фундаментально новые возможности для классической и квантовой электроники, медицинской диагностики, материаловедения и даже астрофизики. Ультратонкая настройка характеристик поглотителей или фильтров для жестких излучений может стать неотъемлемым элементом будущих квантовых сенсоров и устройств, где требуется точное управление потоками высокоэнергетических фотонов.
Ученые подчеркивают, что данное направление остается крайне перспективным: на его основе возможно создание новых типов гамма-оптики, спектроскопических методов и систем генерации и детектирования излучения с ранее недостижимой гибкостью.
Вдохновение для новых научных побед
Результаты исследования очень высоко оценены мировым научным сообществом и получили самые позитивные отклики у профильных специалистов. Несомненно, командный прорыв специалистов из Казанского федерального университета, Института прикладной физики РАН и Техасского университета вдохновит новые коллективы к поиску свежих решений в области квантовой и прикладной физики. Новое исследование открывает путь для дальнейших исследований в сфере взаимодействия вещества и излучения, стимулирует создание умных материалов для работы с экстремально коротковолновым светом и поддерживает оптимизм в научном сообществе относительно возможностей современной российской и международной науки.
На иллюстрации: показаны спектральные контуры поглощения (синяя кривая) и дисперсии (красная кривая) для резонансного поглотителя Fe-57, совершающего гармонические колебания с частотой 9,85 МГц и амплитудой 0,33 Å. Черная пунктирная кривая демонстрирует спектр фотона до взаимодействия с поглотителем. Иллюстрация предоставлена авторами исследования, Институт прикладной физики РАН.
Источник: scientificrussia.ru
