Акустически индуцированная прозрачность резонансной среды для гамма-фотонов

Сотрудники ИПФ РАН совместно с коллегами из Казанского федерального университета и Техасского A&M университета заставили твердотельную среду, резонансно поглощающую фотоны с энергией 14 кэВ, становиться прозрачной для такого излучения, причем настолько, что характеристики фотонов практически не искажаются средой. Эффект достигнут при комнатной температуре за счёт возбуждения в среде ультразвуковых колебаний с определённой сверхмалой амплитудой.

Фундаментальные исследования в области лазерной физики привели к прорывам во многих направлениях научных исследований и быстрому развитию технологий. В настоящее время надежды на подобные преобразования связываются с освоением коротковолновой части электромагнитного спектра – жёсткого рентгеновского или мягкого гамма диапазона (излучение с энергией от сотен до единиц кэВ, испускаемое ядрами атомов радиоактивных источников, принято называть гамма-излучением, а производимое свободными электронами синхротронных комплексов – рентгеновским). Такое излучение уже нашло множество применений в материаловедении, физике, химии, биологии, медицине, геологии и археологии.

Несмотря на фундаментальную общность электромагнитного излучения разных спектральных диапазонов, его свойства и характер взаимодействия с материальной средой могут существенно изменяться с уменьшением длины волны. При определённой энергии гамма-/рентгеновские фотоны начинают резонансно взаимодействовать с ядрами атомов аналогично тому, как фотоны оптического спектра взаимодействуют с их электронами, проявляя при этом уникальные свойства. Например, уменьшение интенсивности излучения с энергией фотонов 14,4 кэВ в «e» раз обеспечивается фольгой, состоящей из изотопа железа-57, толщиной всего 70 нанометров при комнатной температуре, при этом поперечный размер пучка фотонов может составлять единицы нанометра. На этой основе могут быть созданы миниатюрные элементы устройств квантовой гамма-/рентгеновской оптики.

Большинство методов когерентной оптики, применяемых для управления резонансным взаимодействием оптического излучения с веществом, оказываются неэффективными или нереализуемыми в гамма-/рентгеновском диапазоне. Вместе с тем, возникают новые возможности, одна из которых, особенно широко применяемая в ядерной спектроскопии, основана на высокой эффективности эффекта Доплера благодаря малой длине волны излучения и весьма узким спектральным линиям квантовых переходов в ядрах. Например, движение фольги из железа-57 со скоростью 0,17 мм/с вдоль направления распространения фотонов сдвигает спектральную линию ядерного перехода на величину, вдвое превышающую ее ширину, тем самым, выводя излучение из резонанса. Другой известный метод воздействия на спектральные характеристики ядер – акустическая вибрация среды. Несколько лет назад сотрудники ИПФ РАН (Е. В. Радионычев, М. Д. Токман, А. Г. Литвак и О. А. Кочаровская) предложили применить этот метод для управления спектральными и временными характеристиками самого излучения, а в целом, для управления резонансным взаимодействием фотонов с веществом, назвав его акустически индуцированной прозрачностью среды (АИП). А недавно один из вариантов АИП железа-57 для фотонов с энергией 14,4 кэВ был реализован с участием сотрудников ИПФ РАН в Техасском A&M университете (США). В демонстрационном эксперименте при комнатной температуре впервые было получено 150-кратное (с 5,5×10-3 до 0,82) увеличение резонансного пропускания фольгой нержавеющей стали толщиной 25 мкм одиночных фотонов с энергией 14,4 кэВ без спектральных и временных искажений при возбуждении вибрации фольги с частотой 9,85 МГц и амплитудой 0,33 Å. Продемонстрированный эффект открывает путь к реализации акустически управляемого интерфейса между гамма-/рентгеновскими фотонами и ядерными ансамблями, что позволит расширить возможности и область применения гамма-/рентгеновской оптики.

Полученный результат опубликован в журнале Physical Review Letters: Y. V. Radeonychev, I. R. Khairulin, F. G. Vagizov, Marlan Scully, and Olga Kocharovskaya, Observation of acoustically induced transparency for γ-ray photons // Phys. Rev. Lett. 124, 163602, 2020 c пометкой «Редакторы рекомендуют», а также в журнале Physics World.

Рис. 1. (а) Соответствующие эксперименту спектральный контур поглощения (левая вертикальная ось, синяя кривая) и дисперсии (правая вертикальная ось, красная кривая) резонансного поглотителя 57Fe, совершающего гармонические колебания с частотой 9.85 МГц и амплитудой 0.33 Å; чёрная пунктирная кривая – спектр фотона перед поглотителем; (б) экспериментально измеренный спектр и (в) интенсивность однофотонного волнового пакета с энергией фотона 14.4 кэВ на выходе из неподвижного или вибрирующего в режиме АИП резонансного поглотителя по сравнению с характеристиками исходного фотона.