Благодаря использованию современных методов вычислительного моделирования, команда исследователей под руководством Оксфордского университета впервые в истории смогла наблюдать в режиме реального времени провела трехмерное моделирование того, как интенсивные лазерные лучи изменяют «квантовый вакуум» — состояние, которое раньше считалось пустым, но которое, как предсказывает квантовая физика, наполнено виртуальными электронно-позитронными парами. Результаты опубликованы в журнале Communications Physics.
Воссоздание этого необычного явления, предсказанного квантовой физикой и известного как четырехволновое смешение в вакууме, кажется поразительным. Согласно этой концепции, совместное электромагнитное поле, создаваемое тремя сфокусированными лазерными импульсами, способно поляризовать виртуальные электронно-позитронные пары, присутствующие в вакууме. В результате фотоны начинают взаимодействовать, как бильярдные шары, и формируется четвертый лазерный луч, что демонстрирует генерацию света из вакуума. Изучение подобных эффектов может быть ценным для исследования новых физических явлений при экстремально высоких интенсивностях.
«Это выходит далеко за рамки простого академического интереса — это значительный прогресс в направлении экспериментальной проверки квантовых эффектов, которые ранее существовали преимущественно в теории», — отметил соавтор исследования профессор Питер Норрейс.
Эта работа стала особенно актуальной в связи с началом эксплуатации нового поколения высокомощных лазеров. Эти установки позволят достичь необходимой мощности для экспериментальной проверки взаимодействия фотонов друг с другом в лабораторных условиях. Для моделирования использовалась обновленная версия OSIRIS — программного пакета, предназначенного для имитации воздействия лазерных импульсов на вещество или плазму.
Зиксин Чжан, ведущий автор работы, отметила: «Наша компьютерная программа предоставляет трехмерное представление квантового взаимодействия вакуума, которое до этого было недоступно. Используя нашу модель для анализа эксперимента с трехлучевым рассеянием, мы смогли зарегистрировать полный спектр квантовых характеристик и детально исследовать область взаимодействия, а также определить основные временные рамки. После тщательной проверки моделирования мы можем сосредоточиться на более сложных исследовательских задачах, таких как изучение экзотических структур лазерных пучков и импульсов с летающей фокусировкой».
Эти модели имеют решающее значение, поскольку они предоставляют экспериментаторам сведения о факторах, определяющих создание точных и реалистичных испытаний, включая характеристики лазеров и длительность импульсов. Моделирование также расширяет возможности исследования, позволяя изучить динамику этих взаимодействий в реальном времени и оценить влияние незначительных геометрических отклонений в пучке на конечный результат.
Команда полагает, что этот инструмент пригодится не только для планирования будущих экспериментов с высокоэнергетическими лазерами, но и может оказаться полезным при поиске признаков гипотетических частиц, например аксионов и миллизарядных частиц, которые рассматриваются как возможные компоненты темной материи.
Профессор Луис Сильва, один из соавторов исследования, отметил, что новый вычислительный метод, интегрированный в OSIRIS, позволит существенно упростить проведение широкого круга экспериментов на самых современных лазерных комплексах. Объединение сверхинтенсивных лазеров, современных методов детектирования, передового аналитического и численного моделирования станет основой для новой эры в изучении взаимодействия лазера с веществом, открывая перспективные направления в фундаментальной физике».
[Фото: Zixin (Lily) Zhang / Oxford University]