Гамма-оптика уже близко

В журнале Physical Review Letters опубликована статья, которая, возможно станет началом большого нового раздела современной физики — гамма-оптики.

Современная оптика в видимом диапазоне световых волн основана на применении большого количества разнообразных оптических приборов, многие из которых хорошо известны даже тем, кто далёк от науки: линзы, призмы и т. п. Их принцип действия основан на преломлении световых лучей, то есть на изменении направления их движения при прохождении через границу двух сред с различающимися показателями преломления. Для света значения показателя преломления достаточно сильно варьируются от материала к материалу: если в воздухе он практически равен единице, то в воде — 1,33, а в алмазе — 2,4. Это было замечено относительно давно: первые оптически инструменты разработали ещё Галилей (телескоп) и Ньютон (известные опыты по разложению света в призме).

С момента открытия в 1895 году рентгеновского излучения неоднократно осуществлялись попытки создать эффективную преломляющую оптику и в этом диапазоне волн, однако оказалось, что с уменьшением длины волны, а следовательно, с увеличением энергии кванта показатели преломления всех веществ падают и стремятся к 1, что делает их неэффективными для создания оптических элементов. Выход нашёлся с изобретением методов нанотехнологий, позволивших создавать на поверхности материалов неоднородности размером в сотни, десятки и даже единицы нанометров — именно в этом диапазоне лежит длина волны рентгеновского излучения. Сейчас рентгеновская оптика работает в диапазоне энергий фотонов до 200 кэВ.

Но до последнего времени считалось, что в гамма-диапазоне создание оптических элементов невозможно. Эта уверенность базировалась на том факте, что длина волны гамма-квантов меньше размеров атома, поэтому невозможно создание столь малых неоднородностей, а любой материал в этом диапазоне, фактически, прозрачен. Рарушить данный стереотип решились в Институте Лауэ — Ланжевена, располагающегося во французском Гренобле. Здесь расположен один из самых ярких гамма-источников в Европе. Изучая преломление гамма-лучей в кремниевой призме, учёные неожиданно для себя обнаружили, что для гамма-волн с энергией квантов выше 0,7 МэВ действительная часть показателя преломления становится больше 1 и растёт с ростом энергии (следует отметить, что в ренгтеновском диапазоне действительная часть показателя преломления меньше 1, определяется, в основном, рэлеевским рассеянием, и много меньше мнимой части, связанной с поглощением волн). Для квантов с энергией 1165 кэВ показатель преломления достигал величины 1+1,48×10-9. Прибавка, конечно, невелика, но учёные ожидают, что при использовании вместо кремния более тяжёлых металлов, например, золота, можно увеличить её как минимум на 4 порядка, что уже вполне достаточно для создания простейшей оптики.

Ну и пара слов о том, почему так получается. Как утверждают авторы работы, всё дело в эффекте дельбрюковского рассеяния, которое начинает доминировать для квантов высоких энергий над рассеянием Рэлея. Это квантовоэлектродинамический эффект, заключающийся в рассеянии фотонов на виртуальных фотонах сильного электромагнитного поля, например, в электростатическом поле атомного ядра. Эффект был предсказан Дельбрюком ещё в 1933 году, но экспериментально подтверждён только через 20 лет. И вот теперь он, похоже, приобретает практическое применение.

comments powered by Disqus