Учёные создали экзотический лазерный луч для новых возможностей в рентгеновской науке

Лучи Пуанкаре до и после линейного поляризатора. Автор: Nature Photonics (2025). DOI: 10.1038/s41566-025-01737-7

Команда учёных из Национальной ускорительной лаборатории SLAC (США) впервые создала экзотический световой луч — так называемый луч Пуанкаре — с использованием свободно-электронного лазера (FEL) на установке FERMI в Италии. Это открывает новые возможности для изучения материалов и развития высокотехнологичных устройств, например, чипов следующего поколения. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Photonics.

«Это значительный шаг вперёд, — говорит учёный SLAC Эрик Хемсинг. — Лучи Пуанкаре позволяют исследовать материалы по-новому, фиксируя сложные процессы за один импульс. Интересно представить, какие открытия ждут нас в будущем».

Лучи Пуанкаре объединяют несколько поляризаций света (разные направления колебаний световых волн) в один импульс, формируя сложные узоры. Это позволяет изучать материалы с помощью одного импульса вместо множества сканирований, экономя время и фиксируя быстрые изменения в материалах.

Для создания такого луча учёные использовали две секции специальных магнитов — ондуляторов, которые заставляют электроны колебаться, генерируя свет. Полученные два луча с разными поляризациями были наложены друг на друга, создав единый луч с изменяющейся поляризацией по всей поверхности. Результат — стабильный луч, чьи свойства сохраняются при распространении.

Идея эксперимента зародилась несколько лет назад в работе Дженни Морган, которая сейчас работает в SLAC. Тестирование проводилось на FERMI, где команда могла свободно экспериментировать с экстремальным ультрафиолетовым (EUV) излучением.

«Управлять сложными поляризационными узорами на коротких волнах — это захватывающе, — отмечает Морган. — EUV-свет сложнее контролировать, чем видимый, но именно на этих длинах волн открываются новые возможности для экспериментов».

Хотя эксперимент проводился в EUV-диапазоне, прорыв прокладывает путь к созданию таких лучей в рентгеновском диапазоне на лазере LCLS в SLAC. Там более высокая энергия фотонов позволит изучать атомные и молекулярные процессы с ещё большей детализацией.

«Мы планируем установить ондулятор Delta на LCLS в этом году, — говорит Хемсинг. — Это даст нам более точный контроль над поляризацией рентгеновского луча, что позволит усовершенствовать метод и исследовать его потенциал на определённых длинах волн и временных масштабах».

Учёные также сотрудничают с сообществами фотонной науки, химии и материаловедения, чтобы найти практические применения технологии. Цель — сделать эту методику стандартной возможностью для обновлённого LCLS.

Дополнительная информация: Jenny Morgan et al, Poincaré beams from a free electron laser, Nature Photonics (2025). DOI: 10.1038/s41566-025-01737-7