Энергия фотонов гамма-излучения в 10 тыс. раз превышает показатели их «собратьев» из видимой части диапазона, из-за чего их проще регистрировать и фокусировать. Но их нынешние источники довольно неуклюжи, да и «продуктивность» там довольно сложно регулировать. Новый источник гамма-фотонов, похоже, способен решить эти проблемы.
Группа исследователей во главе с Ольгой Кочаровской из Техасского университета A&M (США) использовала радиоактивный кобальт для генерации ультракоротких (по 100 нс) «когерентных» импульсов. При этом все фотоны каждого последующего импульса отделялись друг от друга одинаковыми временными промежутками.
Общая схема получения переизлучаемых гамма-фотонов.
(Иллюстрация Olga Kocharovskaya et al.)
Когда атом кобальта-57 претерпевает распад и образует железо-57, он испускает пары фотонов, однако процесс этот спонтанный, неуправляемый, и оттого излучение такого рода имеет лишь ограниченную полезность.
Чтобы лучше контролировать его, экспериментаторы разместили образец кобальта так, что фотоны, испущенные им, были поглощены атомами железа в листе нержавеющей стали (фактически — в слое фольги). Процесс этот до некоторой степени напоминает обычную флуоресценцию, когда атом поглощает фотон (как правило низкой энергии) и после перехода одного из его электронов на более высокий энергический уровень испускает другой фотон, из-за чего электрон снова возвращается на низкий энергетический уровень.
Вся разница в том, что в случае с железом повышается энергетический уровень не электрона, а субатомной частицы, находящейся в ядре атома. При этом исследователям удалось показать, что, манипулируя кусочком фольги после облучения фотонами от кобальта, можно добиться разделения вторичного излучения от атомов железа на импульсы нужной длины и с нужной формой волны — когерентные импульсы. Что интересно, сам аппарат, позволивший добиться столь нетривиальных результатов, технически был довольно простым — по сути, несложным настольным устройством.
Довольно простые регулярные волнообразные движения кусочка фольги на первый взгляд кажутся лишь изящной академической игрушкой, однако имеют большой практический потенциал.
Так, с помощью источника когерентного гамма-излучения можно улучшить мёссбауэровскую спектроскопию — технику, которая использует гамма-лучи для изучения химического состава и магнитных полей ряда материалов. Обычные источники фотонов высоких энергий, созданные до вышеописанного экспериментального устройства, порождают фотоны высоких энергий в таких количествах и с такими параметрами, которые часто могут перегрузить детекторы и повредить образец изучаемого материала, затруднив его дальнейшие исследования. Когерентный же источник, созданный учёными, в теории позволит им генерировать строго то количество фотонов, которое необходимо для анализа образца, и ни одним больше, что с технической точки зрения огромное преимущество.
Кроме того, гамма-фотоны с регулируемыми параметрами могут оказаться лучшим выбором для квантовой связи и криптографии. Дело в том, что фотоны видимого и микроволнового диапазонов, в силу их меньшей энергии, труднее обнаружить приёмнику квантовой связи, причём гамма-фотоны требуют менее громоздкой аппаратуры и благодаря меньшей длине волны могут использоваться на существенно меньших пространственных масштабах.
Наконец, высокая проникающая способность гамма-лучей позволит им пройти через два образца, скажем, того же железа и создать между ними квантовое запутывание, полагает Адриана Палффи (Adriana Pálffy) из Института ядерной физики Общества Макса Планка (Германия), не принимавшая участия в исследовании. В теории это означает возможность «прощупывания» границы между классическими и квантовыми мирами на небольших нанообразцах материи.
Отчёт об исследовании опубликован в журнале Nature, а с его препринтом можно ознакомиться здесь.
По материалам Nature News.
Источник: compulenta.computerra.ru
