Релятивистски индуцированная прозрачность слоя

На днях в журнале Physical Review E опубликована статья, в которой не только сослались на две моих работы, но и использовали введённый мною термин — насколько могу судить впервые :) Решил в связи с этим рассказать о том, что это за термин такой, и что за физическое явление стоит за ним. Благо, для понимания сути достаточно базовых знаний электродинамики и релятивистской механики.

Собственно, термин звучит следующим образом: «Релятивистски индуцированная прозрачность слоя» или Relativistically Induced Slab Transparency (RIST). О чём идёт речь? Представьте себе тонкий плоский плазменный слой: например, мгновенно ионизированную тонкую фольгу или плёнку. С такой ситуацией часто сталкиваются в экспериментах по взаимодействию мощного фемтосекундного лазерного излучения с веществом. Если лазерный импульс хорошенько почистить от предимпульса, связанного со спонтанным излучением, то ионизация вещества начинается незадолго — буквально за доли пикосекунды — до прихода максимума импульса, и мишени просто не хватает времени для того, чтобы заметно разлететься, и взаимодействие происходит с тонким плотным слоем плазмы.

Если слой тонкий, но всё-таки толще скин-слоя (для твердотельных плотностей вещества, это выполняется фактически вплоть до одно-двухатомных толщин, то есть всегда), то падающее на него излучение практически полностью отражается. Однако при этом со стороны излучения на электроны мишени действует сила давления, которая поджимает слой, эффективно уменьшая его толщину. Если давление превышает некоторое пороговое значение, то толщина сжатого слоя становится меньше толщины скин-слоя (она тоже уменьшается в связи с ростом электронной плотности, но это уменьшение более медленное). В результате происходит просветление плазменного слоя — его коэффициент отражения резко падает. Именно этот эффект и был нами описан в нашей работе 2009 года и получил с моей лёгкой руки название RIST.

Внимательный читатель, конечно, уже отметил, что в приведённых выше рассуждениях релятивизм вроде никак не фигурирует, причём здесь тогда Relativistically? Действительно, строго говоря, с теоретической точки зрения наличие релятивизма не является обязательным условием. Однако всё-таки мы включили в название термина отсылку к релятивизму по двум основным причинам.

Во-первых, на практике для просветления твердотельной фольги или плёнки импульсом оптического диапазона требуется, чтобы интенсивность излучения была так высока, что электроны в фольге приобретают релятивистские энергии. А во-вторых, релятивизм значительно увеличивает силу эффекту. Если скорость движения электронов в фольге неограниченна, то решение простой электродинамической задачи показывает, что даже слой нулевой толщины (в виде дельта-функции) пропускает не более половины падающей интенсивности. Если же скорость электронов ограничена, то их излучательная способность также ограничена, а следовательно, ограничена и амплитуда отражённой волны, то есть с ростом интенсивности падающей волны коэффициент отражения будет неограниченно падать, а коэффициент прохождения — неограниченно возрастать.

Интересно, что оценить порог наступления эффекта RIST можно буквально «на пальцах». Действительно, рассмотрим квазистационарную картину сжатия электронного слоя, считая ионы неподвижными (это само по себе неплохое приближение для фемтосекундных импульсов, но, кроме того, это, на самом деле, никак не влияет на оценку порога). В этом случае толщина электронного слоя определяется балансом действующих на него сил: силы светового давления и силы электростатического давления со стороны ионов. Первая сила (в расчёте на единицу площади, коли уж речь идёт о давлениях) в случае полного отражения просто равна удвоенной интенсивности (с соответствующей нормировкой). Вторая же сила определяется величиной 4πσ, где σ — поверхностная плотность заряда. Если отжаты электроны из слоя толщиной L, то σ = eNL, где _e_ — заряд электрона, _N_ — невозмущённая концентрация электронов. Приравнивая силы и зная начальную концентрацию электронов в мишени, можно найти величину L. Если L меньше полной толщины слоя (формально, за вычетом толщины скин-слоя, но ею можно пренебречь), то волна полностью отражается. Просветление же наступает, когда L сравнивается с полной толщиной слоя. Отсюда можно определить пороговую интенсивность.

Не приводя окончательные формулы, которые теперь несложно вывести, в качестве примера приведу углеродную плёнку. Для толщины около 10 нм (а такие свободновисящие плёнки умеют получать) пороговая интенсивность находится на уровне 1020–1021 Вт/см2 — и это вполне доступный для эксперимента уровень (рекорд на данный момент — 1022 Вт/см2).

Ну и в конце пара замечаний исторического характера. Я называю термин «своим», хотя, конечно, при написании той работы (где эффект RIST, кстати, был всего лишь вспомогательным элементом) в понимание явления внесли свой вклад и мои соавторы, но всё-таки сам термин придумал именно я :) да и суть явления с сопутствующей теорией описывал в тексте статьи тоже я. Ну и надо признать, что термин всё-таки оказался не особо удачным, не прижился и, видимо, уже не приживётся (последняя работа китайцев не в счёт, они здесь пока не законодатели мод). Тому я вижу, как минимум, две причины. Первая заключается в том, что термин перекликается с более распространённым и более известным явлением релятивистской самоиндуцированной прозрачности (Relativistic Self-Induced Transparency, RSIT). Вторая же заключается в том, что описанная выше идеализированная картина справедлива только для одномерного рассмотрения. В двух измерениях динамика взаимодействия значительно усложняется наличием поперечных неустойчивостей, которые приводят к более раннему разрушению слоя, да и весь процесс выглядит скорее не как «просветление», а как «прорыв», поэтому и называют его чаще Breakout.

Текст статьи, если кому интересно, можно почитать по этой ссылке. Кроме того, эффект описан в п. 4.4 нашего обзора в УФН.


Эта статья изначально была опубликована в моём блоге в ЖЖ.

comments powered by Disqus