Томские физики предсказали новый тип переходного излучения

Ученые Томского государственного университета (ТГУ) описали новый тип переходного излучения, которого не должно быть в локальных средах в рамках классической теории. Авторы показали, что в спиральных метаматериалах с сильной пространственной дисперсией релятивистский электрон испускает фотоны вперед — вдоль направления своего движения не укладывается в рамки стандартной теории Гинзбурга — Франка для сред с локальным откликом, созданной в середине прошлого века.

Переходное излучение — явление, предсказанное еще в 1945 году Виталием Гинзбургом и Ильёй Франком. Сегодня оно находит применение в детекторах частиц, источниках рентгеновского излучения и даже в медицинской диагностике.

Классическая теория Гинзбурга — Франка описывает излучение, возникающее при переходе заряда из одной однородной среды в другую. Позже, в 1960 году, М.Л. Тер-Микаелян обобщил эту теорию на случай периодических сред, показав, что периодичность структуры порождает дополнительные максимумы в спектре — так называемое резонансное переходное излучение. Однако все эти классические работы имели фундаментальное ограничение: они рассматривали среды, где электромагнитные свойства можно описать локально, то есть в каждой точке отклик среды зависит только от поля в этой конкретной точке.

Теоретический анализ и численные расчеты авторов статьи указывают на то, что в спиральных метаматериалах — искусственных структурах, состоящих из закрученных проводящих спиралей, — в игру вступает пространственная дисперсия — явление, при котором диэлектрическая проницаемость зависит не только от частоты, но и от направления и величины волнового вектора.

«Наличие сильной пространственной дисперсии качественно изменяет свойства переходного излучения и приводит к новым эффектам», — пишут авторы статьи, профессор кафедры квантовой теории поля физического факультета ТГУ Петр Казинский и младший научный сотрудник лаборатории анализа данных физики высоких энергий ТГУ, ассистент кафедры квантовой теории поля физического факультета ТГУ Петр Королев.

В работе исследователи использовали разработанную ими ранее модель, учитывающую дополнительное плазмонное поле, которое описывает коллективные колебания электронов вдоль проводящих спиралей.

По словам авторов, самый захватывающий результат работы — это предсказание переходного излучения вперед. В классической теории Гинзбурга — Франка, если заряженная частица движется строго вдоль оси симметрии среды, то излучение вперед отсутствует. Частица просто не «видит» границы раздела, если смотреть вдоль направления движения. Однако в спиральном метаматериале с сильной пространственной дисперсией ситуация кардинально меняется.

В отсутствие пространственной дисперсии продольная компонента поля обращается в ноль при нулевом поперечном импульсе — частица перестает взаимодействовать с модами излучения, распространяющимися строго вперед. Но в присутствии плазмонного поля эта компонента не исчезает. Плазмоны, распространяясь вдоль спиральных проволочек, создают своеобразный «мост», по которому энергия частицы перетекает в фотоны, даже когда частица движется строго вперед.

«Полученные результаты дают возможность перейти от изучения свойств метаматериала к его целенаправленному проектированию. Поскольку существует достаточно чувствительная связь между геометрией структуры и свойствами излучения, то можно сначала определить характеристики излучения, необходимые для конкретной задачи, а затем подобрать под них геометрию метаматериала. Это открывает большое поле для дальнейших исследований. Такие эффекты могут быть интересны и для установок класса «мегасайенс», где работают с интенсивными пучками заряженных частиц», — отметил Петр Королев.

По мнению авторов, подобные подходы позволят в будущем создавать источники излучения с заранее заданными характеристиками. Но для этого сначала необходимо экспериментально подтвердить предсказанный эффект и научиться им управлять.

Источник: Официальный ресурс Министерства образования и науки Российской Федерации