Naučnici su upravo srušili udžbeničko pravilo fizike o energiji rendgenskih zraka

Naučnici opovrgavaju dugotrajno pravilo laserske fizike generišući rendgenske zrake sa mnogo višim energijama nego što konvencionalna teorija predviđa.

Iznenađujuće otkriće pokazuje kako dva elektrona koja rade zajedno mogu prevazići ranije prihvaćenu granicu, otvarajući nove mogućnosti za kvantno istraživanje.

Preporučujemo

Naučnici pomeraju generisanje rendgenskih zraka preko dugo prihvaćene granice u laserskoj fizici, otkrivajući iznenađujući kvantni efekat koji konvencionalna teorija ne uzima u obzir.

Usmeravajući moćne ultraljubičaste lasere na atome helijuma, istraživači su proizveli rendgenske zrake sa znatno višim energijama nego što standardni model predviđa. Ovaj prodor zavisi od neobične interakcije između dva elektrona koja im omogućava da zajedno oslobode svoju energiju.

Otkriće je rezultat saradnje između Tehničkog univerziteta u Beču i Kalifornijskog univerziteta u San Dijegu i bazirano je na istraživanju koje je pomoglo da se ustanovi polje atofizike. Laserske tehnike razvijene na Tehničkom univerzitetu u Beču tokom 1990-ih godina doprinele su napretku koji je ovenčan Nobelovom nagradom za fiziku 2023. godine.

Decenijama naučnici znaju da usmeravanje laserske svetlosti na određene atome može uzrokovati da emituju ekstremno kratke pulseve svetlosti mnogo više frekvencije, uključujući rendgenske zrake. Međutim, ustanovljena teorija predviđa maksimalnu energiju za ove emisije na osnovu svojstava lasera. Izvan ove granice, proizvodnja rendgenskih zraka postaje izuzetno slaba.

Novi eksperiment demonstrira da se ova granica može premašiti kad su dva elektrona u interakciji na određeni način.

Kako laseri generišu moćne pulseve rendgenskih zraka

„Mehanizam iza kratkih pulseva rendgenskih zraka je odavno dobro poznat“, kažu naučnici. „Laser otkida jedan elektron od atoma. Taj elektron se zatim ubrzava u električnom polju lasera dok se na kraju ponovo ne sudari sa atomom. Energija koju izgubi u tom procesu emituje se u obliku svetlosti“.

Tokom ovog procesa, električno polje lasera gura oslobođeni elektron dalje od matičnog atoma pre nego što ga vrati nazad. Kad se elektron vrati i oslobodi energiju, generiše svetlost na frekvencijama mnogo višim od frekvencija originalnog laserskog zraka.

Nobelovac Ferenc Kraus je koristio ovaj mehanizam u eksperimentima tokom 1990-ih godina. Najnoviji eksperiment je gurnuo ovaj proces preko ranije prihvaćenih granica.

Može se pokazati da elektron kad se vrati svom atomu generiše čitav niz različitih frekvencija sa otprilike jednakim intenzitetom. Međutim, postoji gornja granica. Frekvencije iznad ove granice su mnogo slabije; nije moguće premašiti određenu maksimalnu frekvenciju, kažu istraživači. To predviđanje opisuje konvencionalni proces sa jednim elektronom.

Dva elektrona probijaju očekivanu granicu energije rendgenskih zraka

U eksperimentu su korišćeni intenzivni ultraljubičasti laserski pulsevi za interakciju sa atomima helijuma. Za razliku od uobičajenog procesa koji uključuje jedan elektron, eksperiment je omogućio da se oba elektrona helijuma sukcesivno uklone.

Prvi elektron je oslobođen i ubrzan laserskim poljem, a za njim i drugi. Iako su elektroni oslobođeni u različitim trenucima, njihovo ponašanje je ostalo povezano putem kvantnih korelacija. Ovaj odnos znači da se njihova kretanja ne mogu tretirati kao potpuno nezavisna.

Pažljivo kontrolišući ultraljubičaste laserske pulseve, istraživači su mogli da podese da se oba elektrona istovremeno vrate atomu. Energija dva elektrona se tada oslobađa odjednom. A kad je dostupno više energije, može se generisati i jedan rendgenski foton sa višom frekvencijom, kažu istraživači.

Ovo koordinisano oslobađanje energije omogućava proizvodnju rendgenskih fotona koji premašuju konvencionalnu granicu. Umesto da se oslanja na energiju jednog povratnog elektrona, proces koristi kombinovanu energiju dva elektrona u interakciji.

Neočekivani rendgenski signal potvrđuje otkriće

Istraživači su pronašli jasne eksperimentalne dokaze da proces sa dva elektrona proizvodi neobično energične rendgenske zrake.

Kad su ispitali spektar emitovanog koherentnog zračenja, identifikovali su drugi region postojane emisije sa znatno višim fotonskim energijama nego što standardna teorija predviđa. Ovaj dodatni region, poznat kao plato, bio je slabiji od primarne emisije, ali se protezao daleko izvan prethodno ustanovljenog energetskog opsega.

Neočekivani signal se pojavio samo kad su istraživači koristili helijum. Slični eksperimenti koji su uključivali argon i neon nisu proizveli isto ponašanje kod njihovih spoljnih elektrona.

Ova razlika daje važan dokaz za predloženo objašnjenje. Helijum ima naročito jake korelacije između svoja dva elektrona, što im omogućava interakciju na načine koji čine istovremeno oslobađanje energije mogućim. Spoljni elektroni argona i neona nisu pokazali isti efekat pod eksperimentalnim uslovima.

Novi pogled na kvantnu fiziku

Pored proizvodnje rendgenskih zraka više energije, ovo otkriće bi moglo naučnicima dati moćan novi način za istraživanje kako elektroni uzajamno deluju unutar atoma i drugih materijala.

Neobična koherentna emisija rendgenskih zraka mogla bi poslužiti kao visokoosetljiv spektroskopski „senzor“ za korelacije između elektrona. Proučavajući oblik emitovanog spektra, njegovu maksimalnu energiju i kako se menja sa polarizacijom laserske svetlosti, istraživači bi mogli dobiti informacije o ponašanju elektrona koji uzajamno deluju na izuzetno kratkim vremenskim skalama.

Ove interakcije se dešavaju tokom atosekundi, pri čemu je jedna atosekunda jednaka milijarditom delu milijarditog dela sekunde. Posmatranje procesa pri takvim brzinama je bitno za razumevanje kako se elektroni kreću i utiču jedan na drugog u kvantnim sistemima.

Na kraju bi se isti princip mogao proširiti dalje od pojedinačnih atoma helijuma na molekule i čvrste materijale u kojima elektroni imaju jaku interakciju.

Tehnika iza ovog otkrića, poznata kao visokoharmoničko generisanje, prvobitno je pomogla da atosekundna fizika postane moguća. Sad istraživači otkrivaju da takođe može rasvetliti složeno ponašanje multiplih kvantnih čestica u interakciji.

Ovi uvidi bi mogli doprineti istraživanjima o kvantnom računarstvu i pomoći naučnicima da razumeju i dizajniraju napredne nanomaterijale sa pažljivo kontrolisanim svojstvima.

(Telegraf Nauka/Science Daily)