Dos electrones se unen para impulsar los rayos X láser más allá de los límites de la física estándar

Superar el corte teórico de energía

Durante décadas, los métodos de laboratorio para generar ráfagas cortas de rayos X se basaron en expulsar un único electrón de un átomo con un campo láser intenso. El campo eléctrico arranca el electrón, lo acelera y lo obliga a volver a colisionar con su núcleo original. Este impacto libera frecuencias de luz mucho más altas que las del haz impulsor original. Sin embargo, la física convencional dicta una frontera insalvable llamada corte de energía, por encima de la cual la emisión cae bruscamente, según informa ScienceDaily.

Publicada en la revista Nature Photonics, la nueva innovación de investigadores de la TU Wien y la Universidad de California San Diego revela que ese umbral no es absoluto. En condiciones específicas, los átomos pueden producir luz muy por encima de ese techo previsto.

«Usando pulsos impulsores ultravioleta, podemos lograr que ambos electrones regresen al átomo exactamente al mismo tiempo».

— Dimitar Popmintchev, investigador posdoctoral en la TU Wien

Coordinar dos electrones en el helio

El avance se basa en el helio, un elemento cuyos dos electrones permanecen fuertemente correlacionados por la mecánica cuántica. En lugar de expulsar una sola partícula, el montaje experimental utiliza intensos pulsos láser ultravioleta para liberar ambos electrones en rápida sucesión. Aunque son arrancados en momentos distintos, las partículas permanecen ligadas.

Ajustando con cuidado los pulsos impulsores, los investigadores lograron forzar a ambos electrones a regresar al núcleo de helio en el mismo instante. Cuando dos electrones impactan simultáneamente, su energía cinética almacenada se fusiona en un solo evento, lo que permite al átomo emitir un único fotón con mucha más energía de la que permiten las dinámicas estándar de un solo electrón, según ScienceDaily.

Una meseta secundaria confirma la reacción cuántica

El análisis espectral reveló una prueba física directa del mecanismo de doble electrón. El equipo observó una región secundaria diferenciada de emisiones sostenidas de alta energía, conocida como meseta, que se extiende mucho más allá del límite convencional. Aunque esta señal secundaria era más débil que la banda de radiación principal, su presencia demostró un régimen operativo completamente distinto, según ScienceDaily.

Los ensayos de control confirmaron el papel único del helio. Cuando Dimitar Popmintchev y el equipo de investigación repitieron el experimento con gases nobles más pesados como el argón y el neón, el efecto no apareció. Los electrones externos de esos átomos más grandes carecían de la estrecha correlación cuántica necesaria para aunar su energía al colisionar. El descubrimiento abre nuevas vías para usar sistemas láser de sobremesa con el fin de sondear movimientos ultrarrápidos de electrones dentro de la materia sin enormes aceleradores de partículas, sentando las bases de una nueva generación de invención científica.

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