Да бъде рентгенова светлина!

Българският учен Теньо Попминчев изобретил първия в света портативен рентгенов лазер

Роден през 1977 г. в Казанлък, Теньо Попминчев записва казанлъшката математическа гимназия. Преминава през уникалната за България и света школа по физика на Теодосий Теодосиев, за да стигне до международните олимпиади по физика в Пекин и Осло. Точно тук е мястото, където младежите не просто учат математика и физика, те биват вдъхновявани да се развиват всестранно, да бъдат личности. Да мислят разкрепостено и да не робуват на авторитети, а да се осланят на своята интуиция и да я следват. Едно от основните качества, които Теодосиев развива в тези деца и до днес, е да бъдат родолюбци, да имат своите граждански позиции и да ги отстояват. Неслучайно учениците му неизменно печелят златото и среброто на всички международни олимпиади по физика. Днес мнозина от тях учат или работят в най-престижните изследователски центрове в света. А тези, които останаха в България, са едни от най-добрите в света специалисти по физика. Точно в тази група на доц. д-р Иван Бъчваров от Физическия факултет на СУ „Св. Климент Охридски” започва професионалната кариера на Теньо Попминчев. Препоръчан от проф. Иван Христов, който е бащата на най-практичния метод за създаване на свръх бързи лазери импулси в екстремалния ултравиолет, по-късно той завършва докторантура в Колорадския университет в Боулдър, САЩ, работейки в асоциирания институт JILA. Ръководителите му са семейство физици, създатели на първия ярък екстремален-утравиолетов лазер. Tози институт е неоспорим световен лидер по атомна, молекулярна и оптична физика с три Нобелови награди в областта за последното десетилетие. През 2011 г. докторската му дисертацията е избрана от Американското физично общество за една от четирите най-новаторски в областта в световен мащаб. Днес д-р Попминчев продължава да работи в Боулдър.
Познаваме го не само като учен, познаваме го и като българин. Като човека, който не се притесняваше да дари докторантската си стипендия от САЩ за родолюбива кауза. Нито скри от медиите, че българин прави голямото откритие и казва:

„ДА БЪДЕ РЕНТГЕНОВА СВЕТЛИНА!”

За да сте на кориците на най-реномираните в света научни списания „Physical Review Letters”, „Nature Photonics”, „Science”, трябва да сте Нобелов лауреат или да направите откритие поне от подобна величина. Откритие, което се извисява много над средното равнище на ежедневните научни постижения. Откритие, преломно не само за науката, но и за човечеството като цяло. Такова е достижението на българина Теньо Попминчев и ръководения от него в САЩ международен екип физици, сред които и брат му – Димитър Попминчев. Тяхното откритие ще промени всички области на науката и е от изключително значение за медицината. Затова за него не спират да говорят и пишат Си Ен Ен, Би Би Си, Ню Йорк Таймс, големите канадски, руски, китайски, японски и европейски, дори австралийски медии:

“ИЗОБРЕТЕН Е ПЪРВИЯТ ПО РОДА СИ НАСТОЛЕН РЕНТГЕНОВ ЛАЗЕР”

Опитите да се реализира това имат почти половинвековна давност! Когато малко след изобретяването на първия видим лазер през 1960 г. става ясно, че е възможно да се направи лазерен източник на рентгенови лъчи, физиците са изправят пред едно огромно затруднение. За да се излъчат съответните високочестотни фотони е необходима толкова много енергия, че само атомна бомба може да я отдели.
С огромни усилия през 90-те години на ХХ век учените все пак създават рентгенови лазерни инсталации, които заемат площ по-голяма от футболен стадион. Последните поколения са с приблизителни размери от 7–8 км в диаметър. Стойността им е над 10 млрд долара, а за експлоатация се изразходват 1 млн ежедневно… При това тези инсталации не работят на принципа на лазера, а комбинират ускорени електрони, които излъчват светлина. Първоначално конструираните съоръжения дори нямат типичните характеристики на насочено излъчване на лазер, а имат лъчение със свойствата на рентгенова лампа, която излъчва светлина във всички посоки. В момента подобни апаратури с достигнати почти лазерни параметри вече работят в Германия, САЩ, Франция.
И тук на сцената на голямата наука на ХХІ век се появяват нашите младежи, „които разбират до основи природните процеси, за да въведат нови трикове как да се сътворяват фотони ефективно дори в рентгеновия спектър… и всичко това на повърхността на една оптична маса!”, не скрива възхищението си Дебора Джаксън, програмен директор в Националната научна фондация на САЩ, която финансира изследването.
Още през 2008 г. Теньо Попминчев защитава с патент идеята си, че такова устройство може да бъде създадено. За да направи своето изобретение, младият учен тръгва срещу утвърденото авторитетно мислене във физиката за съществуването на ограничения в използвания процес, а и природата като цяло. Защото до този момент се е считало, че за да се изобрети рентгенов лазер, трябва да се създаде първо ултравиолетов лазер. Подходът на Попминчев бил съвсем различен и гениално прост.
„Никога не бихме направили това откритие, ако не бяхме готови природата да ни подскаже как работи микро и макро света като едно цяло, когато променяме дължината на вълната на лазера, който дирижира процеса”, споделя изобретателят.
Въз основа на теоретичните си изчисления, направени върху плик за писмо, построяват експериментален прототип на портативния рентгенов лазер. В период от 4-годишен непрекъснат прогрес, отразяван и на кориците на научни списания, започвайки от ултравиолета, през екстремалния ултравиолет, рентгеновите камери, показали ярък лазерен сноп и в рентгеновия спектър. Днес готовото компактно рентгеново устройство произвежда свръхбързи импулси без аналог в световната практика. Нито най-модерните синхротрони, нито дори лазерите със свободни електрони могат да генерират такива импулси – по-бързи дори от времето за създаване и разрушаване на химичните връзки на веществата, по-бързи от най-бързите частици извън ядрото на атома – електроните. „Там, при такива мащаби във времето, ние можем да започнем да използваме този източник на светлина, за да задаваме въпроси, за които нямаме никаква идея какъв може да е отговорът”, казва пред списание „Nature” един от корифеите в областта на лазерите проф. Ференц Крауз от Института за квантова оптика „Макс Планк” в Гархинг, Германия.
Екипът на Теньо Попминчев смята, че подобни лазери с невидимо лъчение ще ни позволят да видим на рентгенов филм дори движенията на електроните в атома, динамиката и структурата на молекулите, клетъчните процеси, да послужат и за създаването на компютри, многократно по-бързи от сегашните. И несъмнено изобретеният настолен рентгенов лазер ще е революционен за медицината! Той може да замени сегашните рентгенови апарати, работещи с огромни дози вредно за здравето рентгеново облъчване, които създават размити изображения на фотографиите си. Новият уред не само ще работи със стотици пъти по-малки облъчващи дози, но и ще разполага с невероятната разделителна способност да различи структури с големина на атом. Разкрива се изумително бъдеще пред ранната диагностика на болести! Това е и най-простата и практична технология с потенциал да надникне и в най-бързите природни процеси в ядрото – сърцето на атома!
Д-р Иван Богоев

 

Изобретението

В основата си то е свръхбърз инфрачервен лазер, който се фокусира във влакно, напълнено с благороден газ и заменя ускорителите на електрони в досегашните установки. За благороден газ е използван хелий с налягане 50 атмосфери (това е приблизително налягането на половин км дълбочина под повърхността на океана).

Ученият и неговият екип вече имат доказателства, че силното лъчение не се различава от това на идеален лазер, въпреки че не се базира на същия принцип. Основното постижение на Попминчев е, че успява във всеки един хелиев атом да комбинира повече от 5000 фотона, за да сътвори един фотон и най-важното – да синхронизира всички новородени! Невидимото инфрачервено лазерно лъчение се преобразува в невидими рентгенови лазерни импулси, използвайки микроскопичните квантови природи едновременно на хелиевите електрони и на движението на дирижиращия лазер. На езика на музиката това преобразуване е оптичен аналог на промяната на звуковата честотата, издавана от струните на цигулка. Ако скъсим наполовина дължината на една от нейните струни, тя ще започне да издава два пъти по-високо честотен звук. Или на езика на физиката – с изобретението си Попминчев успява да скъси струната, която в случая е светлинна вълна, цели 5000 пъти – комбинира едновременно 5000 фотона в един! При това го прави едновременно с цели 10 млн цигулки! И най-важното – всички до една „свирещи” в синхрон! Нещото, което прави този рентгенов източник повече от лазер, е, че излъчва синхронизирани фотони едновременно в инфрачервения спектър, видимия спектър, както и в ултравиолета, екстремалния ултравиолет и в рентгена. Именно тази „дъга” видими и невидими цветове (т.е. честоти), позволява да се генерират свръх къси – от порядъка на 2 атосекунди – лазерни импулси. Една атосекунда е 10-18 секундни, т.е. ако съпоставим една атосекунда с една секунда (приблизително времето за традиционна рентгенова снимка), съотношението е същото, както между една секунда и възрастта на Вселената… Следващите стъпки в тази технология обещават да създадат рентгенова дъга, която би позволила да се генерират зептосекундни лазерни импулси – 10-21 секундни времеви интервали или съпоставими с 1000 пъти възрастта на Вселената по отношение на една секунда. Това са времевите мащаби на свръхбързите процеси в атомното ядро, които остават невидими и досега.blockquote>