Эксперименты проходили на европейском XFEL. Предоставлено: European XFEL/Хайнер Мюллер-Эльснер.

Поляризация электромагнитного излучения описывает, в какой плоскости пространства колеблется волна. В то время как повседневное электромагнитное излучение, такое как солнечный свет, неполяризовано, лазеры производят поляризованное излучение. Это важное требование для широкого круга экспериментов от физики твердого тела до квантовой оптики.

Дополнительные поляризаторы, подобные тем, что разрабатываются в Институте Гельмгольца в Йене, предназначены для дальнейшего улучшения чистоты поляризации, но в течение долгого времени предел в несколько 10 ^-10 не мог быть продвинут дальше. В 2018 году Кай Шульце, первый автор статьи, опубликованной в Physical Review Research, обнаружил, что причиной этого ограничения является расхождение синхротронного излучения. «Поэтому, чтобы добиться дальнейшего улучшения чистоты, нам нужен был источник с лучшей расходимостью», — говорит физик, который возглавляет работу над двойным лучепреломлением в вакууме в HI Jena и совместно отвечает за соответствующие исследовательские проекты DFG в Йенском университете. «Ввод в эксплуатацию европейского рентгеновского лазера European XFEL в Шенефельде недалеко от Гамбурга положил начало этому».

Вместе с учеными из Йенского университета им. Фридриха Шиллера и Центра Гельмгольца в Дрездене-Россендорфе Шульце и его команда разработали экспериментальную установку для европейского XFEL, которая установила новый рекорд чистоты 8×10 ^-11 благодаря специальным кристаллам-поляризаторам, очень точное выравнивание и стабильная установка. Этот новый рекорд чистоты уже позволил провести ряд экспериментов по квантовой оптике в рентгеновском диапазоне и по распределению заряда в твердых телах. Однако особый интерес вызывает обнаружение так называемого вакуумного двулучепреломления.

Экспериментальная установка HED (High Energy Density Science). Предоставлено: Европейский XFEL/Ян Хосан.

Взаимодействие света со светом было описано еще в 1936 году Вернером Гейзенбергом и Гансом Эйлером, но еще не наблюдалось непосредственно на Земле. «Вакуумное двойное лучепреломление в настоящее время является наиболее многообещающим эффектом для прямого обнаружения взаимодействия света со светом», — объясняет Шульце. «В этом процессе поляризация луча образца изменяется, когда он сталкивается в вакууме с очень интенсивным вторым световым лучом. Таким образом, вакуум действует как двулучепреломляющий кристалл, который также влияет на поляризацию; отсюда и название. Эффект чрезвычайно мал, но растет с уменьшением длины волны луча образца. Таким образом, точные поляризаторы в рентгеновском диапазоне обеспечивают хороший инструмент для обнаружения эффекта».

Шульце также объясняет, что прибор с высокой плотностью энергии на Европейском XFEL обеспечит идеальные условия для такого эксперимента в будущем. И у исследовательской группы теперь есть установка, с помощью которой можно измерить самые маленькие изменения поляризации. Обнаружение двойного лучепреломления в вакууме не только подкрепит основы квантовой электродинамики , но, если возникнут отклонения от теоретических ожиданий, также даст ключ к разгадке ранее неизвестных элементарных частиц (таких как аксионы или миллизаряженные частицы). «Мы надеемся, что сможем запустить первые эксперименты в ближайшие несколько лет».

Обнаружение этого явления также было бы интересно для будущих экспериментов в центре ускорителей частиц FAIR. «Если нам удастся измерить двойное лучепреломление вакуума, это поможет интерпретировать данные измерений FAIR. Среди прочего, здесь будет играть роль поляризация вакуума, тесно связанная с двулучепреломлением вакуума», — сказал Шульце.