Due elettroni uniti per spingere i raggi X laser oltre i limiti della fisica standard
Ricercatori della TU Wien e della UC San Diego generano radiazione ad alta frequenza sincronizzando il ritorno degli elettroni negli atomi di elio
Di Giovanni Sapere
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Fisici della TU Wien e della University of California San Diego hanno trovato un modo per generare raggi X con energie superiori a quelle consentite dai limiti teorici standard. Sincronizzando due elettroni negli atomi di elio con impulsi laser ultravioletti, il gruppo ha innescato un rilascio di energia combinato che produce fotoni insolitamente energetici. L'innovazione scientifica mette in discussione assunti di lunga data su come viene generata la radiazione indotta da laser a livello atomico.
Oltre il limite energetico teorico
Per decenni, i metodi di laboratorio per generare brevi impulsi di raggi X si sono basati sull'allontanamento di un singolo elettrone da un atomo mediante un intenso campo laser. Il campo elettrico strappa l'elettrone, lo accelera e lo costringe a tornare a collidere con il nucleo genitore. Questo impatto libera frequenze luminose molto più alte di quelle del fascio motore originale. Eppure la fisica convenzionale impone un confine insormontabile chiamato energy cutoff, oltre il quale l'emissione cala bruscamente, come riportato da ScienceDaily.
Pubblicata sulla rivista Nature Photonics, la nuova innovazione dei ricercatori della TU Wien e della University of California San Diego rivela che questa soglia non è assoluta. In condizioni specifiche, gli atomi possono produrre luce ben oltre quel tetto previsto.
«Usando impulsi motore UV, possiamo fare in modo che entrambi gli elettroni tornino all'atomo esattamente nello stesso momento.»
— Dimitar Popmintchev, ricercatore post-dottorato alla TU Wien
Coordinare due elettroni nell'elio
Il risultato si basa sull'elio, un elemento i cui due elettroni restano fortemente correlati grazie alla meccanica quantistica. Invece di espellere una singola particella, l'apparato sperimentale usa intensi impulsi laser ultravioletti per liberare entrambi gli elettroni in rapida successione. Sebbene strappati via in momenti distinti, le particelle restano legate.
Regolando con cura gli impulsi motore, i ricercatori sono riusciti a costringere entrambi gli elettroni a tornare al nucleo di elio nello stesso identico momento. Quando due elettroni si schiantano insieme, la loro energia cinetica immagazzinata si fonde in un unico evento, permettendo all'atomo di emettere un singolo fotone con un'energia molto maggiore di quella consentita dalla dinamica standard a singolo elettrone, secondo ScienceDaily.
Un plateau secondario conferma la reazione quantistica
L'analisi spettrale ha rivelato una prova fisica diretta del meccanismo a doppio elettrone. Il gruppo ha osservato una distinta regione secondaria di emissioni ad alta energia sostenute, nota come plateau, che si estende ben oltre il limite convenzionale. Sebbene questo segnale secondario fosse più debole della banda di radiazione primaria, la sua presenza ha dimostrato un regime operativo del tutto separato, secondo ScienceDaily.
Prove di controllo hanno confermato il ruolo unico dell'elio. Quando Dimitar Popmintchev e il gruppo di ricerca hanno ripetuto l'esperimento usando gas nobili più pesanti come argon e neon, l'effetto non si è manifestato. Gli elettroni esterni di quegli atomi più grandi mancavano della stretta correlazione quantistica necessaria per unire la loro energia al momento della collisione. La scoperta apre nuove strade per usare sistemi laser da tavolo per sondare i movimenti ultraveloci degli elettroni all'interno della materia senza enormi acceleratori di particelle, ponendo le basi per una nuova generazione di invenzioni scientifiche.
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