Dokładniej rzecz ujmując, w eksperymencie z atomami helu jego autorom udało się wygenerować promieniowanie X o znacznie wyższej energii, niż przewidywały dotychczasowe modele. Pierwszoplanową rolę odegrała w tym kontekście współpraca dwóch elektronów, które uwolniły swoją energię niemal jednocześnie. Przedstawicielem Uniwersytetu Technicznego w Wiedniu oraz Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego piszą o szczegółach swoich działań w Nature Photonics.
Mechanizm generowania wysokoenergetycznego promieniowania od dawna nie stanowił tajemnicy. Kiedy intensywny impuls laserowy oddziałuje z atomem, może wyrwać z niego elektron. Następnie pole elektryczne lasera przyspiesza tę cząstkę, by po chwili skierować ją z powrotem w stronę atomu. Podczas ponownego zderzenia elektron oddaje zgromadzoną energię w postaci światła. Powstające promieniowanie ma znacznie wyższą częstotliwość niż pierwotna wiązka laserowa. W odpowiednich warunkach może to być nawet promieniowanie rentgenowskie.
Proces ten ma jednak określone ograniczenie. W klasycznym modelu pojedynczy elektron może wygenerować tylko fotony o energii mieszczącej się poniżej pewnej granicy, nazywanej odcięciem energetycznym. Powyżej niej intensywność emisji gwałtownie spada. Przez lata w świecie nauki panowało przekonanie, że jest to naturalna granica wynikająca z fizyki całego procesu. Zespół z Wiednia postanowił sprawdzić, czy sytuacja wygląda inaczej, gdy w mechanizmie uczestniczy więcej niż jeden elektron.
Badacze wykorzystali intensywne impulsy promieniowania ultrafioletowego, które skierowali na atomy helu. Hel wypada w tym przypadku szczególnie intrygująco, ponieważ posiada dwa elektrony, których zachowanie może być ze sobą silnie powiązane na poziomie kwantowym. Uczeni doprowadzili do uwolnienia obu elektronów, choć następowało to w różnych momentach. Odpowiednio kontrolując impulsy laserowe, mogli jednak sprawić, że obie cząstki powracały do atomu praktycznie jednocześnie.
To właśnie ten moment okazał się kluczowy. Zamiast oddawać energię niezależnie, elektrony mogły uwolnić ją wspólnie. Łączna energia dostępna w takim procesie była większa niż energia pojedynczego elektronu, co umożliwiło emisję fotonów o znacznie wyższej częstotliwości. W rezultacie udało się zaobserwować dodatkowy obszar emisji promieniowania, wyraźnie wykraczający poza granicę przewidywaną przez standardową teorię. Kiedy przyszła pora na porównanie wyników z eksperymentami przeprowadzonymi na atomach argonu i neonu, naukowcy nie zaobserwowali analogicznego zjawiska w elektronach zewnętrznych.
Czytaj też: Naukowcy po raz pierwszy sfilmowali ruch elektronów w grafenie. Zacierają ręce na myśl o zastosowaniach
Jak twierdzą, różnica wynika z charakteru oddziaływań między elektronami. W helu korelacje kwantowe między dwiema cząstkami są na tyle silne, że mogą umożliwić ich skoordynowany powrót do atomu i wspólne uwolnienie energii. Oznacza to, iż nie wystarczy po prostu zwiększyć mocy lasera. Wielkie znaczenie ma sposób, w jaki elektrony oddziałują ze sobą i jak ich ruchy są ze sobą powiązane. Sami zainteresowani dodają, że nowy mechanizm może stać się narzędziem do badania korelacji elektronowych, czyli jednych z najważniejszych, a zarazem najtrudniejszych do bezpośredniego obserwowania zjawisk w fizyce kwantowej. W przyszłości podobne metody mogłyby posłużyć do analizowania bardziej złożonych układów, w tym molekuł i ciał stałych, w których oddziaływania między elektronami odgrywają istotną rolę. Może to pomóc w rozwoju badań nad materiałami o specjalnie projektowanych właściwościach, a także technologiami kwantowymi.
Źródło: Nature Photonics
