X-ışınları: Nobel Ödülü sınırının ötesinde

Belirli atomlar lazer ışığına maruz bırakıldığında çok farklı türde bir lazer ışığı üretebilirler: X-ışını aralığında son derece yüksek frekanslara sahip lazer darbeleri. 1990’lı yıllarda TU Wien’de rekor sonuçlar elde edilmesine yardımcı olan bu lazer darbeleri, 2023 Nobel Fizik Ödülü’nün konusu oldu.

Ancak bu etkinin teorik modeli net bir öngörüde bulunmaktadır: Atomlara yönlendirilen lazer ışınının özelliklerine bağlı olarak enerjinin bir üst sınırı vardır. Enerji kesintisi olarak bilinen belirli bir değerin üzerinde neredeyse hiç X-ışını üretilmez.

Ancak şimdi, TU Wien ve Kaliforniya Üniversitesi San Diego’daki ekipler tarafından ortaklaşa gerçekleştirilen yeni bir deney, ders kitaplarındaki bu kesme kuralının üstesinden gelmeyi başardı: Helyum atomlarını kullanan araştırmacılar, standart teorinin izin verdiğinden çok daha yüksek bir enerji aralığına ulaştı. Bunun nedeni helyum atomundaki iki elektron arasındaki etkileşimdir: Enerjilerini aynı anda serbest bırakabilirler.

Etki artık dergide yayınlandı Doğa Fotoniği.

Bir elektronun atomdan koparılması

TU Wien Fotonik Enstitüsü’nden Prof. Tenio Popmintchev, “Kısa X-ışını darbelerinin ardındaki mekanizma uzun zamandır iyi biliniyor” diyor. “Lazer atomdan tek bir elektronu koparır. Elektron daha sonra lazerin elektrik alanında hızlandırılır ve sonunda tekrar atomla çarpışır. Bu süreçte kaybettiği enerji ışık biçiminde yayılır.” Bu, başlangıçta atoma yönlendirilen lazerinkinden çok daha yüksek frekanslara sahip lazer darbeleri üretir.

Nobel Ödülü sahibi Ferenc Krausz 1990’larda tam olarak bu etkiyi kullandı. Bugün Popmintchev ve ekibi, Krausz’un o dönemde çalıştığı aynı enstitüde araştırma yürütüyor ve o zaman mümkün olanın çok ötesine geçiyorlar.

Tenio Popmintchev’in TU Wien’deki ekibinde doktora sonrası araştırmacı olan Dimitar Popmintchev, “Elektronun atomuna geri döndüğünde, kabaca eşit yoğunlukta bir dizi farklı frekans ürettiği gösterilebilir” diyor. “Fakat bir üst sınır var. Bu sınırın üzerindeki frekanslar çok daha zayıftır; belirli bir maksimum frekansı aşmak kesinlikle mümkün değildir.”

İki elektron bir elektrondan daha iyidir

Peki olaya yalnızca bir elektron değil de iki elektron dahil olduğunda ne olur? Tenio Popmintchev’in ekibi, iki elektronun birbiri ardına çıkarılabileceği yoğun UV lazerler ve helyum atomları kullandı. İlk elektron serbest bırakılır ve hızlandırılır, ardından ikincisi gelir. Ancak iki elektron birbirinden bağımsız değildir: Kuantum mekaniğiyle ilişkilidirler.

Dimitar Popmintchev, “UV itici darbeleri kullanarak, her iki elektronun da atoma tam olarak aynı anda dönmesini ayarlayabiliriz” diyor. “Daha sonra iki elektronun enerjisi aynı anda serbest bırakılır. Daha fazla enerji mevcut olduğunda, daha yüksek frekanslı, daha yüksek enerjili tek bir X-ışını fotonu da üretilebilir.”

Ekip bu oldukça yüksek X-ışını frekanslarını deneysel olarak keşfetti. Ölçülen tutarlı spektrumda, daha önce bilinen aralığın çok üzerinde, önemli ölçüde daha yüksek foton enerjilerinde ikinci, daha zayıf bir plato ortaya çıktı.

Bu yalnızca son derece güçlü elektron korelasyonlarına sahip bir element olan helyum atomlarında gözlemlendi. Argon ve neon atomlarının değerlik elektronları bu davranışı göstermez; bu, helyum atomundaki iki elektron arasındaki özel etkileşimin çok önemli olduğunun bir başka kanıtıdır.

Bu yeni tür tutarlı X-ışını radyasyonu, elektron-elektron korelasyonlarının yeni bir spektroskopik sensörü olarak özellikle ilgi çekicidir. Şekli, enerji sınırı ve lazerin polarizasyonuna bağımlılığı, iki elektronun attosaniye zaman ölçeklerinde nasıl etkileşime girdiği hakkında bilgi sağlayabilir.

Uzun vadede bu prensip moleküllere veya güçlü bir şekilde ilişkili katılara da aktarılabilir. Bir zamanlar attosaniye fiziğinin yolunu açan yüksek harmonik üretim, böylece kuantum hesaplama ve işlevsel gelişmiş nanomalzemelerin tasarımı için temel olarak önemli olan kuantum çoklu cisim süreçlerinin bir araştırması haline geliyor.