Источник релятивистских электронов с угловым моментом

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-62-10026

НазваниеИсточник релятивистских электронов с угловым моментом

Руководитель Карловец Дмитрий Валерьевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО" , г Санкт-Петербург

Конкурс №82 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований по поручениям (указаниям) Президента Российской Федерации» (междисциплинарные проекты)

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-602 - Квантовая теория поля, квантовая механика

Ключевые слова электрон, орбитальный угловой момент, ускоритель частиц, катод, источник частиц, детектор, лазер, магнитная линза, рассеяние, излучение

Код ГРНТИ29.35.39

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Теоретическое предсказание и экспериментальная генерация квантовых состояний фотонов, электронов, нейтронов и атомов с орбитальным угловым моментом (ОУМ) послужили толчком к появлению нового междисциплинарного направления на стыке атомной физики, электронной микроскопии с субнанометровым разрешением, спиновой и адронной физики, квантовой и нейтронной оптики. Однако существующие технологии генерации частиц с ОУМ ограничены областью сравнительно низких энергий -- не более 300 кэВ в электронных микроскопах, что не позволяет использовать такие пучки для прикладных и фундаментальных исследований на субатомном масштабе. В данном междисциплинарном Проекте мы предлагаем провести комплекс теоретических и инженерных работ по разработке и созданию уникального источника релятивистских "закрученных" электронов на базе комплекса линейного ускорителя Линак-200 Объединенного Института Ядерных Исследований -- с энергией от 5 МэВ и возможностью дальнейшего повышения до 200 МэВ. Разработка и экспериментальная реализация такого источника находятся на стыке последних достижений квантовой механики, атомной физики и квантовой оптики с одной стороны и требуют решения нестандартных инженерных задач физики ускорителей, источников частиц и их детекторов с другой стороны. Реализация Проекта потребует объединения усилий физиков-теоретиков в области квантовой электродинамики и физики высоких энергий из университета ИТМО, а также инженеров и физиков-экспериментаторов из ОИЯИ. Научная новизна Проекта состоит в том, что релятивистские пучки электронов с ОУМ могут стать уникальным инструментом исследований не только в атомной и молекулярной физике, в диагностике нано-материалов и поверхностей, где орбитальный момент электрона позволяет получать новую информацию об образце, но -- при релятивистских энергиях -- и в ядерной физике, спиновой и адронной физике, где такие электроны могут использоваться для анализа спина протона, исследований ядерных сил при низких энергиях, вместо поляризованных по спину пучков и т.д. Угловой момент релятивистских электронов может передаваться другим частицам, что может также привести к созданию "фабрики" рентгеновских и гамма-фотонов с угловым моментом. Создание подобной фабрики на основе обратного комптоновского рассеяния на базе Большого Адронного Коллайдера сейчас активно обсуждается, однако, вряд ли будет реализовано до 2030 г. Для реализации Проекта мы планируем исследовать теоретически и экспериментально различные схемы генерации закрученных электронов, в т.ч. полевую авто-эмиссию и фото-эмиссию в сильном поле соленоида, а так же с лазерными фотонами с ОУМ. Будут разработаны теоретическая модель фотоэффекта с закрученными фотонами, а также модели диагностики углового момента релятивистских электронов. В университете ИТМО будет создан экспериментальный стенд по исследованию генерации закрученных фотонов. В ОИЯИ будет создан стенд на основании имеющихся лазерного драйвера, ВЧ-фотопушки и соленоидального магнита на 5 Т и будет проведена серия экспериментов, в результате которых будет создан источник электронов с ОУМ. Для ускорения до энергии 5 МэВ с возможностью последующего повышения до 200 МэВ и транспорта через систему фокусирующих линз будет проведен теоретический и экспериментальный анализ сохранения углового момента с учетом излучения и неоднородности полей линз. Будет изучено теоретически и экспериментально взаимодействие электронов с ОУМ с различными материалами и особенности электромагнитного излучения для разработки схемы детектирования ОУМ релятивистского электрона. На финальном этапе 4-летнего Проекта планируется впервые в мире продемонстрировать ускорение электронов с угловым моментом до энергии около 5 МэВ. В рамках Проекта коллективом ИТМО-ОИЯИ будут совместно решаться передовые теоретические и инженерные задачи. Успешная реализация Проекта обуславливается богатым опытом обоих коллективов в проведении соответствующих исследований и комплиментарностью необходимых навыков.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Иванов В.К., Чайковская А.Д., Карловец Д.В. Studying highly relativistic vortex-electron beams by atomic scattering PHYSICAL REVIEW A, 108, 062803 (год публикации - 2023)
10.1103/PhysRevA.108.062803

2. Бибиков А.В., Юдин С.Н., Попова М.М., Киселев М.Д., Грум-Гржимайло А.Н., Грызлова Е.В. Динамика разлета молекулы воды в интенсивном поле высокочастотного излучения Журнал экспериментальной и теоретической физики, Том 166, вып. 6 (12), стр. 759–770 (год публикации - 2024)
10.31857/S0044451024120010

3. Гросман Д.В., Лазарев Е.О., Сизых Г.К., Карловец Д.В. Stimulated emission in a complex background IEEE, 2024 International Conference Laser Optics (ICLO), 2024, pp. 433-433 (год публикации - 2024)
10.1109/ICLO59702.2024.10623982

4. Павлов И.И., Карловец Д.В. Emission of twisted photons by a Dirac electron in a strong magnetic field Physical Review D, 109, 036017 (год публикации - 2024)
10.1103/PhysRevD.109.036017

5. Павлов И.И., Чайковская А.Д., Карловец Д.В. Generation of vortex electrons by atomic photoionization Physical Review A, 110, L031101 (год публикации - 2024)
10.1103/PhysRevA.110.L031101

6. Сизых Г.К., Чайковская А.Д., Гросман Д.В., Павлов И.И., Карловец Д.В. Nonstationary Laguerre–Gaussian states in a Magnetic Field Progress of Theoretical and Experimental Physics, 5, 2024, 053A02 (год публикации - 2024)
10.1093/ptep/ptae052

7. Соломонов А.И., Кущенко О.М., Касьянова К.И., Исаева С.Б., Шишкин И.И., Терехова Д.Ю., Лазаренко П.И., Рыбин М.В., Батурин С.С., Синельник А.Д. Switching topological charge of optical vortex by two-dimensional structures Applied Materials Today, 37, 2024, 102135 (год публикации - 2024)
10.1016/j.apmt.2024.102135

8. Чайковская А.Д., Карловец Д.В., Сербо В.Г. Vavilov-Cherenkov emission with twisted electrons: A study of the final entangled state Physical Review A, 109, 012222 (год публикации - 2024)
10.1103/PhysRevA.109.012222

9. Киселев М.Д., Грызлова Е.В., Грум-Гржимайло А.Н. Vector parameters in atomic ionization by twisted light: Polarization of the electron and residual ion Physical Review A, 109, 023108 (год публикации - 2024)
10.1103/PhysRevA.109.023108

10. Дятлов А.С., Блеко В.В., Черепанов К.В., Кобец В.В., Мартьянов М.А., Ноздрин М.А., Сергеев А.Н., Шеремет Н.Е., Жемчугов А.С., Карловец Д.В. Status report on modification of JINR UV laser for generating relativistic vortex electrons IEEE, 2024 International Conference Laser Optics (ICLO) (pp. 438-438). IEEE. (год публикации - 2024)
10.1109/ICLO59702.2024.10624179

11. Щепкин А.А., Гросман Д.В., Шкарупа И.И., Карловец Д.В. Absorption of a twisted photon by an electron in strong magnetic field European Physical Journal C (год публикации - 2024)

12. Киселев М.Д., Грызлова Е.В., Попова М.М., Грум-Гржимайло А.Н. Двухфотонная ионизация одиночных атомов, локализованных на оси бесселева пучка Письма в ЖЭТФ, том 120, вып. 12, с. 917 – 923 (год публикации - 2024)
10.31857/S0370274X24120144

13. Дятлов А.С. , Ноздрин М.А., Сергеев А.Н., Шеремет Н. Е., Стафеев С.С., Карловец Д.В. Generation of deep ultraviolet vortices via amplitude and phase spiral zone plates Applied Optics, Vol. 64, No. 34 , 1 December 2025, Applied Optics (год публикации - 2025)
10.1364/AO.578189

14. Гросман Д.В., Сизых Г.К., Лазарев Е.О., Волошин Г.В., Карловец Д.В. Generating entangled pairs of vortex photons via induced emission Chinese Physics Letters (год публикации - 2025)
10.1088/0256-307X/42/12/120404

15. Павлов И., Чайковская А., Карловец Д. Angular momentum effects in neutron decay PHYSICAL REVIEW C, PHYSICAL REVIEW C 111, 024619 (2025) (год публикации - 2025)
10.1103/PhysRevC.111.024619

16. Карловец Д., Чайковская А., Гросман Д., Каргина Д., Щепкин А., Сизых Г. Attosecond physics hidden in Cherenkov radiation Communications Physics, Communications Physics, volume 8, Article number: 192 (2025) (год публикации - 2025)
10.1038/s42005-025-02108-y

17. Агабабаев В.А., Прохорчук Е.А., Глазов Д.А., Малышев А.В., Шабаев В.М., Волотка А.В. QED effects in quadratic Zeeman splitting in highly charged hydrogen-like ions Physical Review A, Phys. Rev. A 112, 032818 (год публикации - 2025)
10.1103/cpbv-l4z1

18. Панфилов Т.Е., Щепкин А.А., Гросман Д.В., Карловец Д.В. The contribution of multiple reflections to transition radiation Journal of Instrumentation, Volume 20, May 2025, Р05031 (год публикации - 2025)
10.1088/1748-0221/20/05/P05031 Authors

19. Максимов М., Бородин Н., Каргина Д., Наумов Д., Карловец Д. Diffraction by Circular and Triangular Apertures as a Diagnostic Tool of Twisted Matter Waves Physical Review A (год публикации - 2025)
10.1103/z2rs-2ryl

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
1. Детально разработана модель динамики и излучения высокоэнергетичных закрученных электронов и других заряженных частиц в линейном ускорителе: особое внимание уделено анализу динамики и механизмов излучения, связанных с продольным и поперечным движениями. В стационарной и нестационарной калибровках потенциала поля ускорителя получены волновые функции продольной волновой функции частиц, а также их асимптотические разложения на малых расстояниях или при малых электрических полях. Показано, что экспоненциальное подавление переходов с сильным изменением углового момента связано именно с поперечной динамикой волнового пакета, а анализ продольной динамики, в свою очередь, позволил получить характерные величины длины и времени ускорения и выделить два различных режима ускорения. Кроме того, изучено влияние неоднородности электрического поля, всегда присутствующей в реальных ускорителях, на состояния ускоряемых частиц. Продемонстрировано, что наличие градиента электрического поля приводит эффективно к изменению продольной компоненты фокусирующего магнитного поля; получена формула связи величины магнитного поля с градиентом электрического поля. 2. Разработаны и экспериментально протестированы две оптические схемы для генерации ультрафиолетовых закрученных фотонов, а также две методики диагностики их орбитального углового момента. Проведено сравнительное исследование подходов к формированию закрученных фотонов с орбитальным моментом, включая анализ эффективности и стабильности генерации. Также выполнено сопоставление эффективности диагностических схем, направленных на определение орбитального момента, с учетом их чувствительности, точности и применимости в различных условиях. 3. Построена теоретическая модель для расчёта характеристик излучения Вавилова-Черенкова электроном и другими заряженными частицами от нерелятивистских до ультра-релятивистских энергий в прозрачной среде с частотной дисперсией, которая учитывает возможность анализа распределения излученной энергии в фазовом пространстве и, в частности, в реальном пространстве и времени. Описана динамика формирования фотонного поля излучения с учетом эффектов длины формирования излучения, расплывания электронного пакета в процессе генерации излучения, а также расплывания самого излученного фотонного поля. Показано, что характерные времена формирования процесса лежат в атто- и фемтосекундной областях, а ширина спектра, дающая вклад в формирование поля на конечном расстоянии, определяет характерное время вспышки излучения вместе с размером электронного пакета, а также квантовый сдвиг времени прихода фотона в детектор. Получены количественные оценки сдвига времени прихода фотона в детектор от классической величины и показано, что сдвиг может быть равновероятно как положительным (фотоны приходят позже, чем следует из классической теории), так и отрицательным (приходят раньше). Разработанная модель позволяет проводить визуализацию динамики поля излучения в пространстве и времени для заданных параметров начального пакета заряженной частицы и схемы детектирования. 4. Разработана теоретическая модель передачи орбитального углового момента (ОУМ) от фотона к электрону при ионизации атома. Получено квантовое состояние испускаемого фотоэлектрона, получающееся в процессе “само по себе”, то есть независимо от методов детектирования. Исследованы сценарии фото-эмиссии от одиночного атома и от локализованной мишени конечного размера, что более реалистично для экспериментальных условий. Обнаружено, что испускаемый электрон обладает определенной проекцией ОУМ, когда одиночный атом расположен на оси распространения фотона, тогда как размер электронного волнового пакета определяется исключительно энергией фотона, а не его поперечной длиной когерентности. Смещение положения атома приводит к некой дисперсии электронного ОУМ. Для мишеней конечного размера найдены условия, при которых также происходит передача ОУМ от исходного фотона. Полученные результаты показывают возможность генерации релятивистских закрученных электронов путём облучения фотокатодов закрученным лазерным излучением на ускорителе ЛИНАК-200 в ОИЯИ (Дубна). Результаты опубликованы в журнале Physical Review A и освещены в пресс-релизах: https://news.itmo.ru/ru/news/13956/, https://nauka.tass.ru/nauka/21962803. 5. Разработаны и изготовлены фазомодулирующие элементы для формирования оптических вихревых пучков: отражающая дифракционная вилочная решетка и аксиконы. Дифракционная решетка была изготовлена с использованием метода гравировки на зеркальной поверхности фазомодулирующего вилочного паттерна. 6. Собран макет DC-фотопушки, основанный на электронно-оптическом преобразователе. Экспериментальные исследования на данном макете показали, что структура оптического пучка эффективно передаётся на электронный пучок. Однако определить орбитальный угловой момент электронов пока не удалось. В настоящее время разрабатывается астигматическая электромагнитная линза, задача которой - наведение астигматизма на электронный пучок. Это позволит преобразовать его структуру в моды, описываемые полиномами Эрмита, что является важным шагом для последующего определения орбитального углового момента электронного пучка. 7. Разработанные в университете ИТМО методы генерации и детектирования ультрафиолетовых фотонных пучков с орбитальным угловым моментом успешно протестированы и интегрированы в действующую лазерную систему стенда ВЧ-фотоинжектора ЛЯП ОИЯИ. Схема транспортировки лазерного пучка на поверхность фотокатода была оптимизирована. Для этого была разработана вакуумная камера, оснащённая вакуумным зеркалом, установленным в специально спроектированный вакуумный ввод, обеспечивающий высокоточные параметры юстировки. Результаты исследований подтвердили отсутствие ограничений как на способность предложенных схем генерировать фотоны с высоким орбитальным угловым моментом, так и на их возможности диагностики и точного измерения данного параметра. 8. В ходе ремонта блока управления лазерным драйвером был выполнен апгрейд лазера при участии ИПФ РАН (Нижний Новгород), что позволило стабилизировать его работу и повысить потенциально достижимый уровень фотоэлектронного тока. Параллельно были проведены тестовые эксперименты по вводу высокочастотной (ВЧ) мощности в ВЧ-пушку стенда фотоинжектора. Результаты показали, что существующая схема согласования ввода мощности оказалась неэффективной. Временная замена схемы на альтернативную и перестройка резонатора ВЧ-пушки на требуемую собственную частоту позволили впервые в России успешно ввести ВЧ-мощность в ВЧ-пушку фотоинжектора. В настоящее время ведутся работы по усовершенствованию основной схемы согласования ввода мощности. Новая серия экспериментов по вводу ВЧ-мощности в ВЧ-пушку запланирована на конец 2024 — начало 2025 г.

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
1. Разработана теоретическая модель динамики волнового пакета заряженной бесспиновой частицы с орбитальным угловым моментом в поле линейного ускорителя, учитывающая конечное время ускорения. Показано, что конечная длина когерентности такого пакета слабо влияет на его устойчивость при ускорении и практически не приводит к изменению орбитального углового момента (OAM). Исследованы переходы между закрученными состояниями электрона и получены количественные оценки вероятностей излучательных процессов, сопровождающихся изменением OAM. Выявлено, что каналы с большой потерей орбитального момента сильно подавлены, а времена жизни закрученных состояний на многие порядки превышают время пролёта ускоряющей секции. Это означает, что при прохождении ускорителя распределение частиц по орбитальному моменту сохраняется и остаётся близким к исходному. На основании этих результатов сделан вывод, что ускорение локализованных закрученных электронов и других заряженных частиц на существующих установках, включая линейный ускоритель электронов ОИЯИ, возможно без разрушения их вихревой структуры. 2. Детально разработана квантовая теория формирования фотона излучения Вавилова–Черенкова в фазовом пространстве, в т.ч. в реальном пространстве-времени, испускаемого структурированным электронным пакетом. Найдены квантовые эффекты, отсутствующие в классической теории Тамма–Франка и в стандартной квантовой электродинамике в импульсном представлении. Показано, что в ближней зоне фотонная функция Вигнера воспроизводит форму электронного пакета, формируя квантовые «фотографии» источника излучения. Получено выражение для времени дифракционного расплывания фотона и выявлена область его отрицательности — эффект, невозможный в классической электродинамике и связанный с явлением отдачи при излучении фотона в окрестности угла Черенкова. Изучено влияние сильной и слабой дисперсии среды на корреляционный радиус фотона, длительность вспышки, квантовую временной сдвиг и ширину углового диапазона с отрицательным временем дифракции. Показано, что при сильной дисперсии квантовые временные сдвиги могут достигать фемтосекунд, а область отрицательного времени дифракционного расплывания – десятков градусов, что делает эти эффекты доступными экспериментальной проверке. 3. Разработана и промоделирована методика диагностики орбитального углового момента (ОУМ) закрученных электронов, соответствующая параметрам ВЧ-фотоинжектора ЛЯП ОИЯИ в диапазоне энергий электронов от 100 кэВ до 5 МэВ. Показано, что дифракция такого пучка на равносторонней треугольной апертуре микронного масштаба приводит к формированию в дальней зоне характерного треугольного рисунка, по которому можно определить как величину, так и знак ОУМ. На основе численного моделирования получены простые «правила проектирования» эксперимента, которые связывают энергию пучка, размер апертуры, характерные расстояния и пространственное разрешение детектора. Проведён сравнительный анализ дифракции на треугольной и круглой апертурах, показавший, что треугольная апертура даёт существенно более информативную картину для задач диагностики орбитального момента и при этом остаётся технологически простой измерительной схемой, не требующей сложной оптики или спектральной селекции излучения. Полученные результаты служат основой для планируемых экспериментов по регистрации закрученных электронов на фотоинжекторе и линейном ускорителе ЛЯП ОИЯИ. 4. Была выполнена модернизация стенда ВЧ-фотоинжектора, включавшая доработку схемы согласования, что позволило снизить коэффициент стоячей волны с 1,8 до 1,14. В ходе тренировки СВЧ-пушки достигнута мощность, вводимая в резонатор, на уровне 2,8 МВт при длительности импульсов 1-6 мкс. В текущем состоянии стенд обеспечивает генерацию электронов с энергией до 5 МэВ. 5. Проведено исследование характеристик лазерных пучков, формируемых различными дифракционными оптическими элементами. Установлено, что спиральная зонная пластинка имеет низкую эффективность (не более 30%) и не формирует полноценную кольцевую структуру. Вилочная решётка обеспечивает формирование устойчивых пространственных профилей с орбитальным угловым моментом в диапазоне ℓ = ±2…±8. Спиральная фазовая пластинка продемонстрировала наилучшие параметры преобразования и качество профиля, обеспечив максимальное достигнутое значение орбитального углового момента ℓ = 64. Аксиконы формируют качественные кольцевые структуры для пучков с ℓ = 10 и ℓ = 20 при низкой угловой расходимости и высокой эффективности. 6. Проведено исследование электронных пучков, генерируемых на модернизированном стенде фотоинжектора. Подтверждено, что регистрируемый короткий импульс соответствует фототоку. Измерения показали среднюю энергию пучка порядка 1,5-2 МэВ при наличии электронов до 5 МэВ, а общий ток составляет около 40 мкА. Размеры пучка по поперечной проекции составили σ_x = 5,2 мм и σ_y = 6,5 мм. Установка спиральной фазовой пластинки с топологическим зарядом m = 64 привела к снижению уровня фототока примерно на 30%, что подтверждает влияние закрученности лазерного излучения на процесс фотоэмиссии. 7. Разработана теоретическая модель квантовой динамики орбитального углового момента закрученной заряженной частицы со спином в электромагнитных полях, характерных для современных циклических и линейных ускорителей. Выведено обобщение известного уравнения Баргмана-Мишеля-Телегди, включающее орбитальный угловой момент частицы. Показано, что орбитальный момент испытывает прецессию во внешнем поле, частота которой может значительно отличаться от частоты прецессии спина. Это в частности приводит к значительному сдвигу энергии деполяризующих резонансов: для обычного поляризованного по спину электрона без орбитального момента наличие аномального магнитного момента вызывает спиновые резонансы в кольцевых ускорителях при энергии около 440 МэВ, которая определяется исключительно аномальным магнитным моментом электрона. Для неполяризованного, но закрученного электрона аналогичный резонанс может разрушать орбитальный угловой момент при энергии всего 3 МэВ. Таким образом ускорение закрученных заряженных частиц может быть более эффективно достигнуто в линейных, чем в циклических ускорителях, поскольку проблемы деполяризующих резонансов не возникает. 8. Разработана теоретическая модель влияния ускоряющего поля на расплывание волнового пакета заряженной частицы в поперечном к ускорению направлении в продольном постоянном электрическом (DC) поле и поле бегущей ВЧ-волны. Показано, что динамика уширения пакета в ускоряющей структуре замедляется по сравнению со свободным пакетом более, чем на 2 порядка при ускорении электрона до нескольких МэВ.

Публикации