Представете си, че можете да наблюдавате изключително бързи химични реакции. Да „видите“ движението дори на още по-бързите електрони.
И буквално да надникнете в наносвета. Неща непосилни за човешките технически възможности. До днес.

Това вече не звучи като научна фантастика, превръща се в реалност благодарение на научната дързост на двама българи – братята Теньо и Димитър Попминчеви, възпитаници на школата на Теодосий Теодосиев.

Днес двамата са начело на екип от изследователския институт JILA в Колорадо. Мечтаят да пренесат технологиите си у нас, в български институти и лаборатории. Да помогнат на родината си, както са го правили българските възрожденци.

Те споделиха с читателите на news.bg своите открития. Екипът ни благодари на проф. Теньо Попминчев и докторанта Димитър Попминчев (очакваме скоро след тази публикация да му бъде присъдена докторска степен), които бяха наши гидове в сложната материя на свръхбързия квантов свят.

Сега двамата пишат нова квантова азбука – тази на ярките квантови рентгенови лъчи.
Те тръгват срещу досегашните научни представи и опитват да генерират хармонични вълни чрез пропускане на ултравиолетов лазер през хаотична плазмена среда.
Резултатът е на път да предизвика революция не само в света на технологиите, но и в науката.

С откритието си, публикувано в авторитетното списание „Science”, те сбъдват една дългогодишна мечта на учените и на специалистите от индустрията. Създават лазерна рентгенова „светлина” с нови свойства.

Макар и невидима за човешкото око, този тип светлина е най-ефективният начин, по който може да се концентрира енергия във времето и пространството. До степен, до каквато това е фундаментално ограничено само от квантовата природа на светлината.

При това двамата братя създават първия аналог не на един, а на много лазерни източници на рентгенова светлина. Те заедно сякаш оперират едновременно, но всъщност представляват един единствен рентгенов суперлазер с гребеноподобен спектър от голям брой невидими „цветове”.
Не е фантастика, става дума за чиста наука!

Учените обясняват, че са разработили най-практичния и опростен метод ефектът да се получи от самосебе си - всичко се прави във момента на сътворяването на рентгеновите фотони – без допълнителни сложни физични процеси.

Компресията във времето, която също става автоматично, е с времева продължителност 100 атосекунди (1 атосекунда е равна на 1 милиардна от милиардната от една секунда) и може да се подобрява до още по-къси времеви интервали, ако се прибавят допълнителни невидими рентгенови цветове.

Един четиримерен рентгенов микроскоп, който използва такава светлина, би могъл да види обекти с резолюция от порядъка на атома, като едновременно проследява и най-бързите процеси, протичащи в нашия естествен свят.

Това е нещо принципно различно от досегашните технологии, които даваха възможност за получаването смайващи 3D изображения, но четвъртото измерение оставаше невидимо. Сега за първи път свръхбързите процеси може да се наблюдават едновременно във времето и в пространството.

Ако камерата на мобилен телефон би могла да „замрази” във времето свърхзвуков самолет, то се очаква тези квантови рентгенови лъчи да “замразяват” във времето дори и най-бързите квантови обекти извън ядрото на атома – електроните.

Новото лъчение се сътворява чрез умело „дирижиране“ на електроните-струни в атоми и йони, за да се генерират рентгенови лъчи, с желаните свойства. За „диригент“ на системата двамата братя използват интензивен лазер, който излъчва един единствен цвят в невидимата област на ултравиолета, т.е. има къса дължина на вълната на лъчението, и успяват за първи път да преобразуват излъчването с рекордна ефективност до много по-къси дължини на вълните в рентгеновата област в среда от благороден газ (рентгеновият спектър има приблизително 1000 пъти по-къса дължина на вълната в сравнение с видимия спектър за човешкото око).

Процесът на преобразуване се нарича генериране на хармонични, и е светлинен аналог на издаването на звук от цигулка - ако се скъси дължината на струната, се излъчват звукови вълни с по-висока честота. В оптичния аналог, всеки един излъчващ атом е цигулка, електроните са струните и синхронът се дирижира от „напомпващ” лазер-диригент.

Новото откритие на братя Попминчеви е като момент от “Завръщане в бъдещето” – първите хармонични в газови среди са открити през 1987 г., също чрез използване на ултравиолетов лазер, с основната разлика, че хармоничните са били неизползваеми - липсвало е интуитивно обобщеното разбиране от бъдещето как да се синхронизира излъчване от много атоми, което дава рекордно усилване.
Най-висока е ефективността на излъчване на един изолиран атом при “дирижиране” с ултравиолетов лазер – или когато електроните-струни са къси.

Противоположно на това разбиране, конструктивното усилване на рентгеновата светлина, излъчена от много атоми изисква инфрачервени лазери, за да се постигне силно излъчване в рентгеновия спектър – или когато електроните-струни са дълги, слабо натегнати и беззвучни, но в замяна могат да се синхронизират в огромен оркестър. Това е друг нов режим на генериране на рентгенова светлина, въведен вече в много лаборатории по света, който бе открит по-рано също от двамата братя, патентован от Теньо Попминчев и реализиран с Димитър Попминчев и екипа им.

Използваните по-рано инфрачервени лазери не могат да проникнат в плазма, а на практика се отразят обратно от плазмен щит-огледало, но ултравиолетовата лазерна светлина може да премине дори през плазмен облак от електрони и многократно заредени газови йони.
Още повече, свойствата на йоните позволяват усилване на рентгенова светлина от много йони, единствено ако се използва ултравиолетов лазер.

Най-интересното е, че този нов ярък рентген има гребеноподобен спектър от добре разграничени цветове, противоположно на рентгена, генериран от екипа преди няколко години. Тогава за "диригент" е използван инфрачервен лазер и е генерирана бяла светлина в рентгеновия спектър. (Както знаем от училище, бялата светлина се получава като съвкупност от всички цветове на дъгата).

Забележително е, че вече имаме два взаимно допълващи се фундаментални метода, където „дирижиращите“ лазери усилват лъчение с различни свойства, идеални за различен тип взаимно допълващи се приложения!

На практика, рентгеновите лазерни лъчи получени от инфрачервен лазер представляват невидима "бяла" рентгенова светлина (това е спектърът „бяла светлина”), съдържащи абсолютно всички цветове на “дъгата”, и могат да разграничат свърхбързото функциониране на огромен брой отделни химични елементи в наноструктури. Докато рентгеновите лазерни лъчи получени от ултравиолетов лазер (спектърът „гребен”) могат да виждат много по-фини структури.

Щастлива случайност или не, и двете открития са публикувани в топ журнала за наука Science и са придружени от патенти.

И двете поставят основите на азбуката на усилването на рентгеновите лъчи, които могат да се нарекат „квантови рентгенови лъчи”, в отличие от радиацията от рентгеновата крушка на Вилхелм Рентген.

Всичко това се побира в портативен апарат, опериращ с нова квантова азбука!
А може би нова гама от ноти?

 

Патентите за откритията на Теньо и Димитър Попминчеви - рентген от ултравиолетов лазер [1] и рентген от инфрачервен лазер [2]:

1. Title: Generation of coherent VUV, EUV and X-ray light using VUV-UV-VIS lasers Inventors: Popmintchev Tenio, Popmintchev Dimitar, Murnane Margaret, Kapteyn Henry Patent: US 2015/0063385. Published: MAR 5 2015. Provisional Patent Application: US 61873794 SEP 4 2013.

2. Patent: Phase-matched generation of coherent soft and hard X-rays using IR lasers Inventors: Popmintchev Tenio, Chen Ming-Chang, Bahabad Alon, Murnane Margaret, Kapteyn Henry Patent: US 8,462,824. Published: JUN 11 2013. Provisional Patent Application: US 61171783 MAR 2008.


Официалните източници с информация за откритията на Теньо и Димитър Попминчеви - рентген от ултравиолетов лазер [1] и рентген от инфрачервен лазер [2]:

[1] Dimitar Popmintchev, Carlos Hernández-García, Franklin Dollar, Christopher Mancuso, Jose A. Pérez-Hernández, Ming-Chang Chen, Amelia Hankla, Xiaohui Gao, Bonggu Shim, Alexander Gaeta, Maryam Tarazkar, Dmitri Romanov, Robert Levis, Jim Gaffney, Mark Foord, Stephen Libby, Agnieszka Jaron-Becker, Andreas Becker, Luis Plaja, Margaret M. Murnane, Henry C. Kapteyn, Tenio Popmintchev, “Ultraviolet Surprise: Efficient Soft X-ray High Harmonic Generation in Multiply-Ionized Plasmas”, Science 350, 1225 (2015).

Science (2015): http://www.sciencemag.org/content/350/6265/1225.abstract?sid=b6562f38-bf6a-4179-9902-7f36d89a6cd3

[2] Tenio Popmintchev, Ming-Chang Chen, Dimitar Popmintchev, Paul Arpin, Susannah Brown, Skirmantas Ališauskas, Giedrius Andriukaitis, Tadas Balčiunas, Oliver Mücke, Audrius Pugzlys, Andrius Baltuška, Bonggu Shim, Samuel E. Schrauth, Alexander Gaeta, Carlos Hernández-García, Luis Plaja, Andreas Becker, Agnieszka Jaron-Becker, Margaret M. Murnane, Henry C. Kapteyn, “Bright Coherent Ultrahigh Harmonics in the KeV X-ray Regime from Mid-Infrared Femtosecond Lasers”, Science 336, 1287 (2012).

Science (2012): http://www.sciencemag.org/content/336/6086/1287.abstract?sid=b6562f38-bf6a-4179-9902-7f36d89a6cd3


Братята Попминчеви – ръка за ръка, в началото на пътя. На снимката Теньо е на 5 години, а Димитър на 2.
Днес те имат световно признание, след като Теньо работи над 15 години в САЩ, а неговият брат – повече от 10. Двамата остават български граждани. Търсят възможности да продават технологиите си по света, но преди всичко искат да ги пренесат в България – на възрожденски принцип.