Китайські фізики використовували плазму як прискорювальну частину лазера на вільних електронах. На створеній установці вчені навчилися отримувати потужні і короткі пучки когерентного рентгенівського випромінювання. Такий результат підтверджує, що плазмові прискорювачі можна використовувати для створення компактних лазерів на вільних електронах. На думку авторів статті, опублікованої в, це дозволить розширити область застосування лазерів на вільних електронах, які поки що створюють тільки на основі величезних і дорогих радіочастотних прискорювачів.
Масштаб предметів і часових відрізків, за якими в змозі спостерігати людина, визначається довжиною хвилі і тривалістю спрямованого на об'єкт пучка випромінювання. Це обумовлено тим, що будь-яка хвиля (а насправді - і частинка) не може бути використана для спостереження за предметами, розмір яких менший, ніж довжина цієї хвилі (у разі частинки - хвилі Де Бройля). Тому, наприклад, простий оптичний мікроскоп неможливо використовувати для дослідження об'єктів розміром менше мікрометра: світло просто «не помітить» такий предмет, оскільки найменша довжина хвилі видимого випромінювання - близько 400 нанометрів.
Тому для спостереження за мікроскопічними об'єктами або процесами вчені змушені зменшувати довжину хвилі використовуваного для цього випромінювання. Один із способів домогтися цього - використовувати швидкі електрони, які інтенсивно випромінюють фотони при прискореному русі. Саме на цьому принципі засновані лазери на вільних електронах: в них електрони спочатку прискорюють до високих енергій, а потім пропускають через ондулятор - набір магнітів, який змушує електрони рухатися по синусоїдальній траєкторії. У процесі такого руху електрони виробляють випромінювання, довжина хвилі якого пропорційна просторовому періоду їх коливань і назад пропорційна квадрату їх енергії.
Таким чином вчені можуть отримувати короткі (аж до фемтосекунд) імпульси потужного когерентного рентгенівського випромінювання. Такі характеристики дозволяють використовувати їх для вивчення різних об'єктів і процесів на дуже малих просторових і часових масштабах в рамках хімії, структурної біології та інших областей. Але головною перешкодою для повсюдного використання лазерів на вільних електронах залишається їх дорожнеча і розмір. Для того щоб розігнати електрони до необхідних декількох гігаелектронвольт, зараз вчені використовують величезні прискорювачі на основі радіочастотних резонаторів. Великий розмір таких установок обумовлений тим, що у них є максимальний темп прискорення частинок (десятки мегаелектронвольт на метр), перевершити який не можна через недосяжність великих значень прискорюючих полів. Крім того, для отримання потужного когерентного випромінювання необхідні пучки електронів, розкид енергій та імпульсів в яких не буде перевищувати десяті частки відсотка, що також накладає обмеження на прискорюючі елементи.
Тепер же Вентао Ван (Wentao Wang) і Ке Фен (Ke Feng) разом з колегами з Шанхайського інституту оптики і точної механіки вперше успішно вирішили проблеми дорожнечі і великих розмірів нинішніх лазерів на вільних електронах за допомогою плазмового прискорювача. Такий вид прискорювачів електронів використовує коливання зарядів у плазмі для створення надвисоких градієнтів полів, при попаданні в які електрон дуже швидко прискорюється. Причому поля, що виникають в плазмі, на порядки перевищують ті, яких вдається досягти в радіочастотних резонаторах. Це означає, що такі прискорювачі можуть забезпечити те ж зростання енергії електронів на істотно менших відстанях. Плазмовим прискорювачам пророкують велике майбутнє, проте поки що технологія знаходиться на початковій стадії розвитку: фізикам складно отримати пучки одночасно високої якості і великої енергії, і при цьому робити це настільки ж стабільно, як у випадку стандартних радіочастотних установках. Саме якість пучка досі заважала використанню плазмових прискорювачів у лазерах на вільних електронах.
Китайським вченим, однак, вдалося впоратися з описаними перешкодами. Плазмові хвилі в трубці завширшки 6 міліметрів з безперервно поточним гелієм вони збуджували за допомогою потужного лазера, сфокусованого параболічним дзеркалом. У створених таким чином градієнтах електричного поля плазмові електрони прискорювалися до енергії аж до 490 мегаелектронвольт, причому розкид енергій у пучці становив всього 0.5 відсотка. Така процедура повторювалася з частотою в 1-5 герц, причому зміни максимальної енергії пучка не перевищували 3 відсотки, а поперечні розміри пучка перед входом в ондулятор залишалися в межах 1 міліметра.
При потраплянні в ондулятор електрони випромінювали, і під дією власного випромінювання пучок розділявся на кілька мікропучків з поздовжнім розміром порядку довжини хвилі випромінювання. Це призводило до того, що випромінювання від кожного сусіднього електрону в мікропучці підсумовувалося один з одним, і в результаті на останніх магнітах ондулятора воно посилювалося в 100 разів. На виході вчені отримували імпульси монохроматичного когерентного випромінювання з довжиною хвилі в 27 нанометрів. У кожному імпульсі вчені налічували аж до десяти мільярдів фотонів, а енергія такого імпульсу сягала 150 наноджоулів. Також фізики дослідили, як саме зростає енергія випромінювання в процесі просування пучка електронів по ондулятору.
Вчені відзначають важливість якості пучка електронів і його акуратного транспортування в ондулятор, якої їм не вдавалося домогтися для кожного запуску установки. Але, на думку фізиків, за допомогою стабілізація лазера, швидкості руху гелію в трубці, а також кращого підбору інших експериментальних параметрів установки можна домогтися стабільного прискорення електронів. Розвиток лазерів на вільних електронах з плазмовими прискорювачами дозволить створювати компактні (розмір описаної установки не перевищував 12 метрів) і недорогі (за оцінкою авторів, близько 5 мільйонів доларів) установки, і тим самим розширити їх застосування.
Однак поки що вченим доводиться задовольнятися тими величезними і дорогими установками, які є у них в доступі. Прикладом може служити лазер на вільних електронах XFEL розмірів в 3,4 кілометра, про перші результати роботи якого ми вже розповідали. Але і плазмові прискорювачі постійно розвиваються: нещодавно фізики поставили рекорд за часом безперервної роботи такої установки.