Výzkum v Laboratoři extrémního záření. Kredit: University Communication / University of Nebraska-Lincoln.

Představte si, že máte laser, jehož paprsek se vyrovná záři jedné miliardy Sluncí. Přesně takový laser se jmenuje Diocles (Dioklés) a mají ho v Laboratoři extrémního záření Univerzity v Nebrasce-Lincolnu (UNL). Jejich fyzici použili tento laser k výzkumu chování záření v extrémních situacích. Zajímala je interakce mezi zářením a hmotou, která způsobuje viditelnost objektů, a její změny. Výsledky výzkumu by pak bylo možné využít v různých aplikacích.

Donald Umstadter (2014). Kredit: UNL.

Donald Umstadter a jeho spolupracovníci vypálili laserem Dioklés do připravených elektronů. Během experimentu sledovali rozptyl fotonů extrémního laserového paprsku po zásahu elektronu. Jde o Thompsonův rozptyl (Thompson scattering), tedy rozptyl záření na volných elektronech. Za obvyklých podmínek, když světlo ze žárovky nebo třeba sluneční záření zasáhne povrch nějakého objektu, tak na něm dojde k rozptylu záření, díky němuž pak objekt vidíme.
Elektrony, tedy záporně nabité částice, které se podílejí na složení atomů, v běžné situaci rozptýlí vždy jen jediný foton. A i to se stává dost vzácně.

"Rentgenový snímek USB flešky" získaný v experimentu s laserem Diocles. Kredit: Extreme Light Laboratory / University of Nebraska-Lincoln.

Podle Umstadtera bývá elektron v povrchové vrstvě materiálu zasažen fotonem tak asi jednou za několik měsíců. Jenže v laserových experimentech, jako byl ten Umstadterův, to je jinak. Vědcům se doposud podařilo vyvolat na jednom elektronu rozptyl několika málo fotonů zároveň. Umstadter a spol. s laserem Diocles zvládli rozptyl téměř 1 000 fotonů na jediném elektronu najednou. Jejich ostře sledovaný výzkum v těchto dnech publikoval časopis Nature Photonics.

Laser Diocles. Kredit: UNL.

Extrémní laser přinesl extrémní výsledky. Jak fotony, tak i elektrony se v tomto experimentu chovaly velmi odlišně, než je u nich zvykem. Umstadterův tým pozoroval vznik unikátních rentgenových pulzů, které by se mohly stát základem nové technologie zobrazování s extrémně vysokým rozlišením. Když dojde k rozptylu fotonů standardního záření, tak se obvykle nezmění úhel směru pohybu fotonu ani jeho energie. Umstadter s kolegy ale zjistili, že existuje určitý práh zářivosti laserového paprsku, jehož překročení vede ke změně úhlu a vlnové délky rozptýleného záření.

Takto vzniklé pulzy rentgenového záření mají extrémní energii, která je ale zároveň soustředěna v úzkém rozmezí hodnot. Zároveň jsou velice krátké. S takovým rentgenovým zářením by bylo možné získat úžasné rentgenové snímky ve 3D, které zachytí i nanostruktury a přitom pacienta zatíží menší dávkou záření. Zařízení, které by mělo k dispozici takové záření, by prý mohlo vystopovat například obtížně zjistitelné nádory anebo mikrofraktury kostí. A nejde jenom o medicínu. Možné aplikace se nabízejí v polovodičových technologiích, bezpečnostních kontrolách nebo třeba při vývoji ultrarychlých kamer pro sledování pohybu elektronů či průběhu chemických reakcí.

Video:  Extreme Light Laboratory, University of Nebraska Lincoln.

Video:  Donald Umstadter on the Extreme Light Laboratory

Literatura
University of Nebrasca-Lincoln 26. 6. 2017, Nature Photonics online 26. 6. 2017.