Οι επιστήμονες αψήφησαν έναν μακροχρόνιο κανόνα της φυσικής των λέιζερ, παράγοντας ακτίνες Χ με πολύ υψηλότερες ενέργειες από ό,τι προβλέπει η συμβατική θεωρία.
Η αναπάντεχη αυτή ανακάλυψη αποκαλύπτει πώς δύο ηλεκτρόνια που συνεργάζονται μπορούν να ξεπεράσουν ένα προηγουμένως αποδεκτό όριο, ανοίγοντας νέες δυνατότητες για την κβαντική έρευνα. Οι επιστήμονες ξεπέρασαν ένα μακροχρόνια αποδεκτό όριο στη φυσική των λέιζερ κατά την παραγωγή ακτίνων Χ, αποκαλύπτοντας ένα αναπάντεχο κβαντικό φαινόμενο το οποίο η συμβατική θεωρία αδυνατεί να εξηγήσει.
Κατευθύνοντας ισχυρά υπεριώδη λέιζερ σε άτομα ηλίου, οι ερευνητές παρήγαγαν ακτίνες Χ με σημαντικά υψηλότερες ενέργειες από αυτές που προβλέπει το καθιερωμένο μοντέλο. Αυτή η σημαντική ανακάλυψη βασίζεται σε μια ασυνήθιστη αλληλεπίδραση μεταξύ δύο ηλεκτρονίων, η οποία τους επιτρέπει να απελευθερώνουν την ενέργειά τους μαζί.
Η ανακάλυψη προέρχεται από μια συνεργασία μεταξύ του Πολυτεχνείου της Βιέννης (TU Wien) και του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια στο Σαν Ντιέγκο (UCSD), και βασίζεται σε έρευνα που βοήθησε στη θεμελίωση του πεδίου της φυσικής των αττοδευτερολέπτων.
Οι τεχνικές λέιζερ που αναπτύχθηκαν στο TU Wien τη δεκαετία του 1990 συνέβαλαν σε προόδους που αναγνωρίστηκαν με το Βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 2023. Για δεκαετίες, οι επιστήμονες γνωρίζουν ότι η κατεύθυνση φωτός λέιζερ σε συγκεκριμένα άτομα μπορεί να τα αναγκάσει να εκπέμψουν εξαιρετικά σύντομους παλμούς φωτός πολύ υψηλότερης συχνότητας, συμπεριλαμβανομένων των ακτίνων Χ.
Ωστόσο, η καθιερωμένη θεωρία προβλέπει μια μέγιστη ενέργεια για αυτές τις εκπομπές με βάση τις ιδιότητες του εισερχόμενου λέιζερ. Πέρα από αυτό το όριο, γνωστό ως όριο αποκοπής ενέργειας (energy cutoff), η παραγωγή ακτίνων Χ εξασθενεί εξαιρετικά. Το νέο πείραμα αποδεικνύει ότι αυτό το οικείο όριο μπορεί να ξεπεραστεί όταν δύο ηλεκτρόνια αλληλεπιδρούν με έναν συγκεκριμένο τρόπο.
Τα ευρήματα δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Nature Photonics.
Πώς τα λέιζερ δημιουργούν πανίσχυρους παλμούς ακτίνων Χ
«Ο μηχανισμός που βρίσκεται πίσω από τους σύντομους παλμούς ακτίνων Χ είναι γνωστός εδώ και πολύ καιρό», εξηγεί ο καθηγητής Tenio Popmintchev από το Ινστιτούτο Φωτονικής του Τεχνικού Πανεπιστημίου της Βιέννης (TU Wien).
«Το λέιζερ αποσπά ένα ηλεκτρόνιο από το άτομο. Στη συνέχεια, το ηλεκτρόνιο επιταχύνεται μέσα στο ηλεκτρικό πεδίο του λέιζερ, μέχρι που τελικά συγκρούεται ξανά με το άτομο. Η ενέργεια που χάνει κατά τη διαδικασία αυτή εκπέμπεται με τη μορφή φωτός».
Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, το ηλεκτρικό πεδίο του λέιζερ απομακρύνει το απελευθερωμένο ηλεκτρόνιο από το άτομο από το οποίο προήλθε και στη συνέχεια το επαναφέρει σε αυτό. Όταν το ηλεκτρόνιο επιστρέφει και απελευθερώνει την ενέργειά του, παράγει φως σε συχνότητες πολύ υψηλότερες από εκείνες της αρχικής δέσμης λέιζερ.
Ο νομπελίστας Ferenc Krausz αξιοποίησε αυτόν τον μηχανισμό σε πρωτοποριακά πειράματα κατά τη δεκαετία του 1990. Σήμερα, ο Tenio Popmintchev και οι συνεργάτες του εργάζονται στο ίδιο ινστιτούτο του Τεχνικού Πανεπιστημίου της Βιέννης (TU Wien), όπου ο Krausz είχε πραγματοποιήσει την παλαιότερη έρευνά του.
Ωστόσο, με το τελευταίο τους πείραμα κατάφεραν να ωθήσουν τη διαδικασία πέρα από τα όρια που ήταν γνωστά μέχρι σήμερα. «Μπορεί να αποδειχθεί ότι, όταν το ηλεκτρόνιο επιστρέφει στο άτομό του, παράγει ένα ολόκληρο φάσμα διαφορετικών συχνοτήτων, με περίπου την ίδια ένταση», εξηγεί ο Dimitar Popmintchev, μεταδιδακτορικός ερευνητής στην ομάδα του Tenio Popmintchev στο TU Wien.
«Υπάρχει, όμως, ένα ανώτατο όριο. Οι συχνότητες πάνω από αυτό το όριο είναι πολύ ασθενέστερες· απλώς δεν είναι δυνατόν να ξεπεραστεί μια συγκεκριμένη μέγιστη συχνότητα».
Αυτή η πρόβλεψη περιγράφει τη συμβατική διαδικασία, στην οποία συμμετέχει ένα μόνο ηλεκτρόνιο. Οι ερευνητές θέλησαν, λοιπόν, να διαπιστώσουν αν το αποτέλεσμα θα άλλαζε στην περίπτωση που συμμετείχαν δύο ηλεκτρόνια.
Δύο ηλεκτρόνια σπάνε το αναμενόμενο ενεργειακό όριο των ακτίνων Χ
Για να διερευνήσει το φαινόμενο, η ομάδα χρησιμοποίησε ισχυρούς παλμούς υπεριώδους (UV) λέιζερ, οι οποίοι αλληλεπίδρασαν με άτομα ηλίου. Σε αντίθεση με τη συνήθη διαδικασία, στην οποία συμμετέχει ένα μόνο ηλεκτρόνιο, το πείραμα επέτρεψε τη διαδοχική απομάκρυνση και των δύο ηλεκτρονίων του ηλίου.
Το πρώτο ηλεκτρόνιο απελευθερώθηκε και επιταχύνθηκε από το πεδίο του λέιζερ και στη συνέχεια ακολούθησε το δεύτερο. Παρότι τα δύο ηλεκτρόνια απελευθερώθηκαν σε διαφορετικές χρονικές στιγμές, η συμπεριφορά τους παρέμεινε αλληλένδετη μέσω κβαντικών συσχετίσεων. Αυτό σημαίνει ότι οι κινήσεις τους δεν μπορούν να θεωρηθούν εντελώς ανεξάρτητες μεταξύ τους.
Ελέγχοντας με μεγάλη ακρίβεια τους παλμούς του υπεριώδους λέιζερ, οι ερευνητές κατάφεραν να ρυθμίσουν τη διαδικασία έτσι ώστε και τα δύο ηλεκτρόνια να επιστρέψουν ταυτόχρονα στο άτομο.
«Χρησιμοποιώντας παλμούς υπεριώδους ακτινοβολίας για τη διέγερση, μπορούμε να ρυθμίσουμε τη διαδικασία έτσι ώστε και τα δύο ηλεκτρόνια να επιστρέψουν στο άτομο ακριβώς την ίδια χρονική στιγμή», εξηγεί ο Dimitar Popmintchev.
«Η ενέργεια των δύο ηλεκτρονίων απελευθερώνεται τότε ταυτόχρονα. Και όταν υπάρχει διαθέσιμη περισσότερη ενέργεια, μπορεί να παραχθεί ένα μεμονωμένο φωτόνιο ακτίνων Χ υψηλότερης ενέργειας και, συνεπώς, υψηλότερης συχνότητας».
Αυτή η συντονισμένη απελευθέρωση ενέργειας καθιστά δυνατή την παραγωγή φωτονίων ακτίνων Χ που υπερβαίνουν το συμβατικό ενεργειακό όριο. Αντί να βασίζεται στην ενέργεια ενός και μόνο ηλεκτρονίου που επιστρέφει στο άτομο, η διαδικασία αξιοποιεί τη συνδυασμένη ενέργεια δύο αλληλεπιδρώντων ηλεκτρονίων.
Ένα απρόσμενο σήμα ακτίνων Χ επιβεβαιώνει την ανακάλυψη
Οι ερευνητές βρήκαν σαφείς πειραματικές ενδείξεις ότι η διαδικασία στην οποία συμμετείχαν δύο ηλεκτρόνια παρήγαγε ακτίνες Χ ασυνήθιστα υψηλής ενέργειας. Όταν εξέτασαν το φάσμα της εκπεμπόμενης σύμφωνης ακτινοβολίας, εντόπισαν μια δεύτερη περιοχή παρατεταμένης εκπομπής σε πολύ υψηλότερες ενέργειες φωτονίων από εκείνες που προβλέπει η συμβατική θεωρία.
Αυτή η πρόσθετη περιοχή, γνωστή ως «πλατό», ήταν ασθενέστερη από την κύρια εκπομπή, αλλά εκτεινόταν πολύ πέρα από το ενεργειακό εύρος που είχε καταγραφεί έως τότε. Το απρόσμενο σήμα εμφανίστηκε μόνο όταν οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ήλιο.
Αντίστοιχα πειράματα με αργό και νέον δεν παρουσίασαν την ίδια συμπεριφορά στα εξωτερικά τους ηλεκτρόνια. Αυτή η διαφορά παρέχει σημαντικές ενδείξεις που ενισχύουν την προτεινόμενη εξήγηση. Το ήλιο παρουσιάζει ιδιαίτερα ισχυρές συσχετίσεις μεταξύ των δύο ηλεκτρονίων του, επιτρέποντάς τους να αλληλεπιδρούν με τρόπους που καθιστούν δυνατή την ταυτόχρονη απελευθέρωση ενέργειας.
Τα εξωτερικά ηλεκτρόνια του αργού και του νέον δεν παρουσίασαν το ίδιο φαινόμενο υπό τις συγκεκριμένες πειραματικές συνθήκες.
Ένα νέο παράθυρο στην κβαντική φυσική
Πέρα από την παραγωγή ακτίνων Χ υψηλότερης ενέργειας, η ανακάλυψη θα μπορούσε να προσφέρει στους επιστήμονες έναν ισχυρό νέο τρόπο για να μελετήσουν τον τρόπο με τον οποίο αλληλεπιδρούν τα ηλεκτρόνια μέσα στα άτομα και σε άλλα υλικά.
Η ασυνήθιστη σύμφωνη εκπομπή ακτίνων Χ θα μπορούσε να λειτουργήσει ως ένας εξαιρετικά ευαίσθητος φασματοσκοπικός «αισθητήρας» για τις συσχετίσεις μεταξύ ηλεκτρονίων.
Μελετώντας τη μορφή του εκπεμπόμενου φάσματος, τη μέγιστη ενέργειά του και τον τρόπο με τον οποίο μεταβάλλεται ανάλογα με την πόλωση του φωτός λέιζερ, οι ερευνητές θα μπορούσαν να αποκτήσουν πληροφορίες για τη συμπεριφορά αλληλεπιδρώντων ηλεκτρονίων σε εξαιρετικά μικρές χρονικές κλίμακες.
Αυτές οι αλληλεπιδράσεις πραγματοποιούνται σε κλίμακες αττοδευτερολέπτων, με ένα αττοδευτερόλεπτο να ισοδυναμεί με ένα δισεκατομμυριοστό του δισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου. Η παρατήρηση διεργασιών με τόσο υψηλές ταχύτητες είναι απαραίτητη για την κατανόηση του τρόπου με τον οποίο κινούνται τα ηλεκτρόνια και επηρεάζουν το ένα το άλλο στα κβαντικά συστήματα.
Μελλοντικά, η ίδια αρχή θα μπορούσε να επεκταθεί πέρα από μεμονωμένα άτομα ηλίου, σε μόρια και στερεά υλικά στα οποία τα ηλεκτρόνια αλληλεπιδρούν ισχυρά. Η τεχνική που βρίσκεται πίσω από την ανακάλυψη, γνωστή ως παραγωγή υψηλών αρμονικών, συνέβαλε αρχικά στην ανάπτυξη της φυσικής των αττοδευτερολέπτων.
Τώρα, οι ερευνητές διαπιστώνουν ότι μπορεί επίσης να αποκαλύψει την πολύπλοκη συμπεριφορά πολλαπλών αλληλεπιδρώντων κβαντικών σωματιδίων. Οι νέες αυτές γνώσεις θα μπορούσαν να συμβάλουν στην έρευνα για τους κβαντικούς υπολογιστές και να βοηθήσουν τους επιστήμονες να κατανοήσουν και να σχεδιάσουν προηγμένα νανοϋλικά με προσεκτικά ελεγχόμενες ιδιότητες.
