Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.
В настоящее время принципиальной задачей физики высоких плотностей энергии является достижение предела Швингера — критической плотности энергии, при которой физический вакуум начинает проявлять нелинейные свойства. Впервые нелинейность вакуума была предсказана американским физиком Джулианом Швингером (1918-1994), удостоенным совместно с Ричардом Фейнманом и Синъитиро Томонагой в 1965 г. Нобелевской премии по физике «за фундаментальные работы по квантовой электродинамике, имевшие глубокие последствия для физики элементарных частиц» [1].
Так, Швингером было установлено, что распространяющиеся в вакууме фотоны способны порождать виртуальные частицы, преодолевающие от места своего возникновения расстояние, равное их комптоновской длине волны [2]. При этом условие сохранения зарядовой четности [3] накладывает важное ограничение на возникающие частицы: рождаться они могут только в виде пары «частица — античастица». Последнее позволяет оценить величину критического электромагнитного поля, соответствующего швингеровскому пределу, следующим образом: работа поля на комптоновской длине волны электрона (самой легкой элементарной частицы) должна равняться удвоенной (электрон + позитрон) энергии покоя электронагде Кл — элементарный заряд; м — комптоновская длина волны электрона; кг — его масса; м/с — скорость света в вакууме; Дж·с — постоянная Планка [4].
Подстановкой численных значений получаем
что до настоящего времени являлось недостижимой величиной. В настоящей статье представлена новая твердотельная методика на основе абсолютно черного тела, с помощью которой, как можно надеяться, удастся достичь необходимого значения (2), реализовав тем самым возможность рождения электрон-позитронных пар в лаборатории.
Доступные на сегодняшний день технологии позволяют получать сверхсильные электромагнитные поля, приближающиеся к (2), путем фокусировки большого числа лазерных пучков высокой интенсивности. Рекорд принадлежит Национальному комплексу лазерных термоядерных реакций (США), использующем 192 интенсивных лазерных источника, генерирующих наносекундные мегаджоулевые импульсы. При этом сама установка размещается в десятиэтажном здании, занимающем площадь нескольких футбольных полей [5].
Заметим, что аналогичная многолучевая схема может быть компактно реализована в зеркальной твердотельной микрополости — «фотонной ловушке» [6], представляющей собой тонкостенную металлическую сферическую полость с малым входным отверстием (рисунок). Подобная микрополость хорошо известна как пример абсолютно черного тела [7] — объекта, поглощающего все поступающее в него электромагнитное излучение.
При этом, если диаметр сферической фотонной ловушки в полуцелое число раз превосходит длину волны лазерного излучения, поступающего в микрополость, в последней формируется стоячая электромагнитная волна, а сама микрополость выступает в качестве микрорезонатора, суперлинзирующего излучение в геометрическом центре сферы.
Как известно, основной задачей «суперлинз» считается преодоление дифракционного предела, не позволяющего рассмотреть детали изображения [9]. Этот классический физический эффект устанавливает максимальное разрешение на уровне, примерно соответствующем половине длины волны падающего света. «Суперлинзы» обходят ограничение за счет сбора так называемых исчезающих волн, которые несут подробную информацию об исследуемом объекте, но, в полном соответствии с названием, «исчезают» на небольшом расстоянии от него и традиционными линзами не обнаруживаются. Чаще всего «суперлинзы» выполняют из метаматериала, однако предлагаемая фотонная ловушка может быть выполнена из металла, плазменная частота которого превосходит частоту генерации используемого в эксперименте лазера. При этом интенсивность исходного лазерного излучения может быть сколь угодно высока, поскольку вследствие «резонансной» геометрии на стенки полости приходятся узлы стоячей волны, что позволяет избежать абляции материала. Подавление паразитного теплового излучения предлагается осуществлять внешним охлаждением стенок фотонной ловушки. Так, криостатирование жидким гелием (T = 4 К) в соответствии с законом Стефана — Больцмана позволит снизить тепловые потери до уровня
где σ = 5,7·10-8 Вт/(м2К4) — постоянная Стефана — Больцмана [4].
В этом случае интегральные тепловые потери для микронной микрополости составят пренебрежимо малую величину в несколько десятков фемтоватт.
Покажем, что рассматриваемая система позволяет достичь швингеровской напряженности электромагнитного поля (2). В качестве примера возьмем коммерчески доступный [10] сверхяркий светодиод мощностью PLED = 100 Вт, генерирующий непрерывное излучение на длине волны λLED = 385 нм. В этом случае оптимальный диаметр микрополости должен быть полунечетное (1/2, 3/2, 5/2 и т. д.) число раз кратен λLED. Тогда поступающее извне светодиодное излучение фокусируется в центре микрополости, что позволяет достичь порогового значения (2) за время
что является вполне приемлемым с точки зрения расхода жидкого гелия с учетом микронного размера криостатируемой области.
На основании полученного результата (4) можно сделать вывод, что предложенная твердотельная методика достижения швингеровского предела вполне реализуема с помощью современных технологий. Отметим, что предлагаемая схема может быть использована в качестве оптического позитронного генератора для коллайдеров.
