На пороге большой науки

Наш короткий рассказ — об одном из выпускников кафедры общей ядерной физики, Михаиле Хаердинове, и его научной работе.
Здесь уместны некоторые пояснения о месте научной работы Михаила в общей картине физических исследований. Ускорители давно применяются не только для создания пучков заряженных частиц большой энергии. Одно из последних впечатляющих достижений в проектировании, строительстве и использовании линейных электронных ускорителей — создание лазеров на свободных электронах (ЛСЭ), работающих в режиме самоусиления спонтанной эмиссии. В мире заработали три такие установки: FLASH (2007, Германия), SPring-8 (2009, Япония) и LSLC (2009, США). Еще несколько строятся или проектируются, среди которых Европейский рентгеновский лазер на свободных электронах XFEL в Гамбурге. Теоретические основы действия таких установок были заложены 30 лет назад в работах А.М. Кодратенко и Е.Л. Салдина из Новосибирского института ядерной физики им. Будкера СО РАН. Сгусток электронов с околосветовой скоростью проходит через длинный ондулятор, магнитное поле которого заставляет электроны совершать зигзагообразное движение. Генерируемое при этом излучение, воздействуя обратно на сгусток электронов, разбивает последний на тонкие «блины», которые начинают излучать в фазе, т.е. когерентно. Интенсивность направленного в узкий передний конус излучения пропорциональна квадрату числа когерентных излучателей, в отличие от линейной зависимости в традиционных источниках синхротронного излучения. При длинном ондуляторе на выходе формируется импульс рентгеновского или крайнего ультрафиолетового излучения длительностью 10-100 фемтосекунд с интенсивностью на 7-8 порядков выше, чем лучшие синхротронные источники предыдущего поколения. Импульсы излучения ЛСЭ так коротки и интенсивны, а длина волны так мала, что они позволят производить «видеоролики» молекулярных процессов, переводить вещество в экстремальные состояния и делать многие другие вещи, большинство из которых пока трудно представить. Будущее покажет, к каким новым открытиям приведет этот революционный прорыв. Богатые возможности для исследований открывает метод «накачка-зондирование», когда первый импульс ЛСЭ (накачка) запускает процесс в системе, а второй короткий импульс с контролируемой задержкой (зондирование) служит анализатором состояния системы. Совсем недавно на FLASH были проведены первые такие эксперименты, где зондирование проводилось импульсом оптического лазера.
В дипломной работе Михаила Хаердинова «Анализ возбужденных водородных фрагментов при фотодиссоциации молекул в приложении к экспериментам типа накачка-зондирование на электронных ускорителях» (рук. д.ф.м.н. А.Н. Грум-Гржимайло, д.ф.м.н. проф. С.И. Страхова) предложен и теоретически обоснован новый класс экспериментов этого типа. Представим себе, что импульс ЛСЭ (накачка) приводит к диссоциации водородосодержащей молекулы, а в качестве фрагмента образуется возбужденный атом водорода. Квантовое состояние фрагмента является «смешанным», т.е. описывается не волновой функцией, а матрицей плотности, которая определяется механизмом диссоциации. М. Хаердиновым показано, что, измеряя угловые распределения электронов, образуемых при ионизации фрагмента зондирующим импульсом, можно восстановить матрицу плотности водородного фрагмента после диссоциации. Важно, что фемтосекундные импульсы короче продолжительности протекания молекулярных процессов, связанных с движением ядер, поэтому, изменяя время задержки, можно проследить эволюцию матрицы плотности фрагмента. В работе предлагаются и обосновываются конкретные варианты эксперимента с рецептами извлечения элементов матрицы плотности. По матрице плотности восстанавливаются такие характеристики фрагмента, как форма электронного облака, компоненты электронного тока, и т.д. Такая наглядная информация даст новые знания о механизме фотодиссоциации молекул в коротковолновом диапазоне, имеющей огромное фундаментальное и прикладное значение для астрофизики, физики атмосферы, физики лазеров, фотохимии и др. Почему, собственно, в качестве фрагмента выбран возбужденный атом водорода? Во-первых, это единственный атом, для которого амплитуды фотоионизации точно известны, по крайней мере, в первом порядке теории возмущений, что и позволяет решить обратную задачу нахождения начального состояния фрагмента по данным эксперимента. Во-вторых, уникальное квантовое вырождение состояний разной четности в кулоновском поле приводит к дополнительным наглядным параметрам диссоциации (например, ненулевому дипольному моменту фрагмента). В-третьих, водород — составная часть огромного количества молекул, для которых разработанные М. Хаердиновым рецепты носят универсальный характер. Наконец, экспериментальные данные, которых пока мало, указывают на высокую вероятность образования возбужденных водородных фрагментов при фотодиссоциации в мягком рентгеновском диапазоне.
Научная работа М. Хаердинова имеет непосредственную связь с исследованиями на ЛСЭ FLASH и является частью российско-германского проекта по корреляционным и поляризационным явлениям при ионизации разреженных сред крайним ультрафиолетовым и рентгеновским излучением. Предлагаемые измерения обсуждались с экспериментальными группами в Гамбурге и Хайдельберге. Близкие по постановке эксперименты недавно были выполнены на FLASH с молекулами H2, а перспектива дальнейших исследований в этом направлении будет обсуждаться в конце февраля 2011 г. на совместном германо-российском семинаре.
Для решения поставленной в дипломе задачи Михаилу было необходимо освоить и творчески применить формализм спиновой матрицы плотности и статистических тензоров, квантовую теорию углового момента, пакет аналитических вычислений «Математика», программирование на Фортране, и множество других навыков, необходимых для будущей работы физика-теоретика в выбранной области. Умение ярко и доходчиво представлять результаты работы в широкой аудитории — это важнейшая составляющая успеха ученого. М. Хаердинов представлял свою работу на Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Казань, 2010), докладывал ее результаты на 1-й Всероссийской школе-семинаре студентов, аспирантов и молодых ученых «Функциональные наноматериалы для космической техники», многократно рассказывал о ней в выступлениях на нашей кафедре.
Как обычно бывает в научной работе, значительная часть наработок остается невостребованной сразу и ждет «в столе» своего часа. И у героя нашего рассказа много достижений, не отраженных в дипломной работе, но могущих составить солидный задел к его будущим исследованиям. Мы искренне надеемся, что Михаил продолжит обучение в аспирантуре физфака МГУ на нашей кафедре и пойдет нелегкой, но такой интересной дорогой познания мира физики.
Профессор А.Н. Грум-Гржимайло