Группа исследователей из Института Макса Борна (MBI) в Берлине и DESY в Гамбурге продемонстрировала плазменную линзу, способную фокусировать аттосекундные импульсы. Этот прорыв значительно увеличивает аттосекундную мощность, доступную для экспериментов, открывая новые возможности для изучения сверхбыстрой динамики электронов. Результаты были опубликованы в журнале Nature Photonics.
Аттосекундные импульсы
Аттосекундные импульсы — это вспышки света, длящиеся всего миллиардные доли миллиардной доли секунды. Они являются важным инструментом для наблюдения и управления движением электронов в атомах, молекулах и твёрдых телах. Однако фокусировка этих импульсов, находящихся в экстремально ультрафиолетовой (XUV) или рентгеновской области электромагнитного спектра, оказалась крайне сложной из-за отсутствия подходящей оптики.
Проблема фокусировки
Зеркала обычно используются для фокусировки видимого света, но они имеют низкую отражательную способность и быстро деградируют. Линзы, хотя и являются наиболее простым инструментом для фокусировки видимого света, не подходят для фокусировки аттосекундных импульсов, поскольку они поглощают XUV-излучение и растягивают аттосекундные импульсы во времени.
Решение проблемы
Исследователи из MBI и DESY решили эту проблему, создав плазменную линзу. Для её создания они пропускают сильные электрические импульсы через водородный газ внутри крошечной трубки. Этот процесс лишает атомы водорода их электронов, создавая плазму. Электроны естественным образом движутся наружу к краям трубки, формируя плазму подобно вогнутой линзе.
Обычно такая линза рассеивает свет, а не фокусирует его. Но поскольку плазма преломляет свет иначе, чем обычные материалы, она фокусирует аттосекундные импульсы.
В своей публикации исследователи показали, что плазменная линза может фокусировать аттосекундные импульсы в различных диапазонах XUV-излучения с настраиваемой фокусной длиной, контролируемой плотностью плазмы. Они также достигли высокой пропускной способности более 80%.
Открытие в области турбулентности
Группа исследователей из Института науки и технологий Окинавы (OIST) наконец-то разрешила это противоречие, убедительно продемонстрировав, что, вопреки преобладающему пониманию, рамки Колмогорова действительно универсально применимы к малым масштабам турбулентных течений Тейлора-Куэтта (ТК) — именно так, как было предсказано. Их выводы опубликованы в Science Advances.
Профессор Пинаки Чакраборти из подразделения механики жидкости в OIST, возглавлявший исследование, говорит: «Проблема долгое время выделялась как больной палец в этой области. С этим несоответствием, решённым и с открытием установки OIST-TC, мы установили новую базовую линию для изучения этих сложных потоков».
Турбулентные течения Тейлора-Куэтта
Течения Тейлора-Куэтта очень просто создать, они появляются в замкнутых потоках между двумя независимо вращающимися цилиндрами. Они также чрезвычайно сложны, демонстрируя широкий спектр различных турбулентных поведений.
Примечательно, что эти течения приводят к образованию вращающихся, турбулентных вихрей, называемых Тейлоровскими валами — представьте себе вертикальные завихрения воздуха в тайфуне, который сам вращается горизонтально. Анализ этих вихрей помог установить несколько основных предположений, которые сегодня занимают центральное место в области гидродинамики.
В 1941 году влиятельный математик Андрей Колмогоров опубликовал короткую статью с элегантной формулировкой сложности турбулентных жидкостей, в которой он описал её как идеализированный энергетический каскад.
Профессор Чакраборти объясняет: «Если вы размешаете бассейн с водой большой ложкой, вы добавляете энергию в воду в виде движения в форме большого вихря. Этот вихрь распадается на всё меньшие и меньшие завихрения, пока окончательно не рассеется в виде тепла».
Однако, хотя знаменитый закон Колмогорова -5/3 был признан универсальным практически для всех турбулентных потоков, важные течения ТК, по-видимому, ускользали от его рамок. Несмотря на многочисленные эксперименты за последние десятилетия, полученные результаты неоднократно не соответствовали мелкомасштабной универсальности, которую предсказывает закон -5/3.
Новая экспериментальная установка
Разработка новой экспериментальной установки в OIST, которая, хотя и проста в принципе, потребовала девяти лет инженерной изобретательности, позволила решить эту проблему. Установка способна производить турбулентные потоки при числах Рейнольдса до 10^6^, что является одним из самых высоких показателей в мире.
Команда расширила рамки исследования с инерциального диапазона на общую область мелкомасштабных течений, включая мельчайшие завихрения, рассеивающие энергию в тепло. На этих масштабах Колмогоров предсказал, что при учёте диссипативных эффектов пересчитанные энергетические спектры сольются в единую универсальную кривую F(kη). И для команды применение этого сравнительно менее изученного аспекта рамок Колмогорова принесло свои плоды.