Fizycy obalili regułę uznawaną za niepodważalną. Nowe możliwości dla techniki rentgenowskiej

W nauce istnieją reguły traktowane jako ostateczne i niepodlegające dyskusji. Tym razem jednak okazało się, że jedna z takich fundamentalnych zasad fizyki kwantowej przestała obowiązywać, a odkrycie to może mieć poważne konsekwencje dla całej dziedziny.

Fundamentalna zasada fizyki przestała być nienaruszalna

Fizyka kwantowa od dawna opiera się na kilku granicach uznawanych za ostateczne, opisanych przez konkretne modele teoretyczne i traktowanych jako domknięty stan wiedzy. Jedną z nich był tzw. limit odcięcia energii (energy cutoff), dotyczący wytwarzania ultrakrótkich impulsów promieniowania rentgenowskiego. Zgodnie z ustaleniami badaczy nagrodzonych Nagrodą Nobla w 2023 roku, wiązka lasera skierowana na gaz mogła wyzwolić z atomu jedynie ściśle określoną porcję energii. Wszystko, co znajdowało się powyżej tej granicy częstotliwości, miało gwałtownie tracić na intensywności.

Taki pogląd funkcjonował do niedawna, dopóki międzynarodowa grupa naukowców z Politechniki Wiedeńskiej oraz Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego nie przeprowadziła eksperymentu, który dotąd wydawał się praktycznie nieosiągalny. Sekret tkwił w nakłonieniu dwóch elektronów do wspólnego, zsynchronizowanego działania. Wyniki tych prac opublikowano w prestiżowym czasopiśmie Nature Photonics, a zespół wykazał w nich, że klasyczny model generowania promieniowania laserowego można skutecznie ominąć.

Standardowa metoda produkcji impulsów rentgenowskich przy użyciu laserów opiera się na trzyetapowym schemacie, opisanym już w latach 90. ubiegłego stulecia przez prof. Ferenca Krausza z uczelni wiedeńskiej:

• Silne pole elektryczne generowane przez laser odrywa od atomu pojedynczy elektron
• Uwolniona cząstka zostaje rozpędzona w przestrzeni przez falę świetlną, niczym wystrzelony pocisk
• Kiedy kierunek pola laserowego ulega odwróceniu, elektron zawraca i z dużą siłą zderza się z macierzystym atomem

W momencie takiego zderzenia elektron traci nagromadzoną energię kinetyczną, która zamienia się w błysk światła o znacznie podwyższonej częstotliwości - czyli w miękkie lub twarde promieniowanie rentgenowskie. Dotąd obowiązywała tu ściśle określona granica fizyczna: energia powstałego fotonu rentgenowskiego zależała wyłącznie od pędu zgromadzonego przez jeden, pojedynczy elektron.

Zespół badawczy postanowił sprawdzić, co nastąpi, jeśli w cały proces zaangażują się jednocześnie dwie cząstki zamiast jednej. Do tego celu idealnie nadawał się atom helu, posiadający dwuelektronową strukturę. Naukowcy wykorzystali niezwykle intensywne impulsy laserowe z zakresu głębokiego ultrafioletu (UV), dzięki którym udało się w ułamku sekundy wybić z jądra obydwa elektrony naraz. Znacznie trudniejszym zadaniem okazało się skłonienie ich do powrotu w tym samym momencie - rozwiązaniem było odpowiednie dobranie kształtu i polaryzacji fali UV. Ostatecznie obie cząstki uderzyły w jądro atomowe dokładnie w tej samej chwili.

Dzięki impulsom UV byliśmy w stanie zaaranżować sytuację, w której oba elektrony wracają do atomu w identycznym momencie. Energia dwóch cząstek została uwolniona jednocześnie. A gdy dysponujesz podwójną dawką energii, jesteś w stanie wygenerować pojedynczy foton rentgenowski o znacznie wyższej częstotliwości niż przewiduje teoria

dr Dimitar Popmintchev

Czy takie osiągnięcie ma realne znaczenie? Jak najbardziej, ponieważ otwiera ono drogę do obserwacji procesów zachodzących w skali attosekund, czyli przedziałów czasowych liczonych w trylionowych częściach sekundy. To właśnie w takich ułamkach chwil dochodzi do przekazywania energii pomiędzy elektronami wewnątrz cząsteczek, tworzenia się wiązań chemicznych oraz zmiany stanów kwantowych. Odkryty mechanizm może posłużyć jako niezwykle czuły detektor spektroskopowy, umożliwiający obserwację splątanych cząstek w czasie rzeczywistym. W praktyce przełoży się to na postęp w budowie procesorów kwantowych oraz na projektowanie nowych nanomateriałów o właściwościach, które dotychczas pozostawały wyłącznie w sferze marzeń inżynierów.