دانشمندان یک قانون کتاب درسی فیزیک را شکستند

دانشمندان تولید اشعه ایکس را فراتر از حدی که از دیرباز در فیزیک لیزر پذیرفته شده بود، فراتر بردند و یک اثر کوانتومی شگفت‌انگیز را آشکار کردند که نظریه‌های مرسوم آن را توضیح نمی‌دهند. محققان با هدایت لیزرهای فرابنفش قدرتمند به سمت اتم های هلیوم، پرتوهای ایکس با انرژی بسیار بالاتر از پیش بینی مدل استاندارد تولید کردند. این پیشرفت به یک برهمکنش غیرمعمول بین دو الکترون بستگی دارد که به آنها اجازه می دهد انرژی خود را با هم آزاد کنند.

این کشف از همکاری بین TU Wien و دانشگاه کالیفرنیا سن دیگو و بر پایه تحقیقاتی است که به ایجاد زمینه فیزیک آتوثانیه کمک کرد. تکنیک های لیزری توسعه یافته در TU Wien در دهه 1990 به پیشرفت هایی کمک کرد که توسط جایزه نوبل فیزیک 2023 به رسمیت شناخته شد.

برای دهه‌ها، دانشمندان دریافته‌اند که هدایت نور لیزر به اتم‌های خاص می‌تواند باعث شود که آنها پالس‌های بسیار کوتاهی از نور با فرکانس بسیار بالاتر، از جمله اشعه ایکس، ساطع کنند. با این حال، تئوری ایجاد شده حداکثر انرژی را برای این انتشارات بر اساس خواص لیزر ورودی پیش‌بینی می‌کند. فراتر از این مرز، که به عنوان قطع انرژی شناخته می شود، تولید اشعه ایکس به شدت ضعیف می شود.

آزمایش جدید نشان می‌دهد که وقتی دو الکترون به روشی خاص برهم کنش می‌کنند، می‌توان از این حد آشنا فراتر رفت. این یافته ها در Nature Photonics منتشر شد.

پروفسور Tenio Popmintchev از موسسه فوتونیک در TU Wien می گوید: «مکانیسم پشت پالس های کوتاه اشعه ایکس برای مدت طولانی به خوبی شناخته شده است. لیزر یک الکترون را از اتم جدا می‌کند. سپس الکترون در میدان الکتریکی لیزر شتاب می‌گیرد تا در نهایت دوباره با اتم برخورد کند. انرژی که در این فرآیند از دست می‌دهد به شکل نور ساطع می‌شود.

در طی این فرآیند، میدان الکتریکی لیزر، الکترون آزاد شده را قبل از بازگرداندن آن از اتم مادرش دور می کند. هنگامی که الکترون برمی گردد و انرژی خود را آزاد می کند، نور را در فرکانس های بسیار بالاتر از پرتو لیزر اصلی تولید می کند.

فرانس کراوس، برنده جایزه نوبل، از این مکانیسم در آزمایش‌های پیشگامانه در دهه 1990 استفاده کرد. تنیو پاپمینچف و همکارانش اکنون در همان موسسه TU Wien کار می کنند که کراوس تحقیقات قبلی خود را در آنجا انجام داده است، اما آخرین آزمایش آنها این فرآیند را فراتر از مرزهای شناخته شده قبلی خود فراتر برده است.

دیمیتر پاپمینچف، فوق دکترا در تیم تنیو پاپمینچف در TU Wien می گوید: «می توان نشان داد که وقتی الکترون به اتم خود باز می گردد، طیف وسیعی از فرکانس های مختلف را با شدت تقریبا برابر تولید می کند. "اما یک حد بالایی وجود دارد. فرکانس های بالاتر از این حد بسیار ضعیف تر هستند؛ به سادگی نمی توان از حداکثر فرکانس مشخصی تجاوز کرد."

این پیش‌بینی فرآیند مرسوم مربوط به یک الکترون را توصیف می‌کند. محققان می‌خواستند دریابند که اگر به جای آن دو الکترون شرکت کنند، نتیجه تغییر می‌کند یا خیر.

دو الکترون حد مورد انتظار انرژی اشعه ایکس را می شکنند

برای بررسی، این تیم از پالس‌های لیزری شدید فرابنفش (UV) برای تعامل با اتم‌های هلیوم استفاده کردند. برخلاف فرآیند معمولی که شامل یک الکترون بود، این آزمایش اجازه داد تا هر دو الکترون هلیوم پشت سر هم حذف شوند.

اولین الکترون آزاد شد و توسط میدان لیزر شتاب گرفت و به دنبال آن الکترون دوم. اگرچه الکترون ها در لحظات مختلف آزاد شدند، اما رفتار آنها از طریق همبستگی های کوانتومی مرتبط باقی ماند. این رابطه به این معنی است که حرکات آنها را نمی توان کاملا مستقل در نظر گرفت.

با کنترل دقیق پالس های لیزر فرابنفش، محققان می توانند ترتیبی دهند که هر دو الکترون به طور همزمان به اتم بازگردند.

دیمیتر پاپمینچف می‌گوید: «با استفاده از پالس‌های محرک UV، می‌توانیم ترتیبی دهیم که هر دو الکترون دقیقا در یک زمان به اتم بازگردند. سپس انرژی دو الکترون به یکباره آزاد می شود. و هنگامی که انرژی بیشتری در دسترس باشد، یک فوتون پرتو ایکس با انرژی بالاتر با فرکانس بالاتر نیز می تواند تولید شود.

این آزادسازی هماهنگ انرژی، تولید فوتون های اشعه ایکس را ممکن می سازد که از قطع انرژی معمولی فراتر می روند. این فرآیند به جای تکیه بر انرژی یک الکترون بازگشتی، از انرژی ترکیبی دو الکترون متقابل استفاده می کند.

یک سیگنال غیرمنتظره اشعه ایکس کشف را تایید می کند

محققان شواهد تجربی واضحی یافتند که نشان می‌دهد فرآیند دو الکترونی پرتوهای X پرانرژی غیرمعمولی تولید می‌کند.

هنگامی که آنها طیف تابش منسجم ساطع شده را مورد بررسی قرار دادند، منطقه دوم گسیل پایدار را با انرژی فوتون بسیار بالاتر از آنچه که تئوری استاندارد پیش بینی می کند، شناسایی کردند. این منطقه اضافی، که به عنوان فلات شناخته می شود، ضعیف تر از انتشار اولیه بود، اما بسیار فراتر از محدوده انرژی تعیین شده قبلی گسترش یافت.

سیگنال غیرمنتظره تنها زمانی ظاهر شد که محققان از هلیوم استفاده کردند. آزمایش‌های مشابه شامل آرگون و نئون رفتار یکسانی را در الکترون‌های بیرونی آنها ایجاد نکردند.

این تفاوت شواهد مهمی برای توضیح پیشنهادی ارائه می دهد. هلیم همبستگی شدیدی بین دو الکترون خود دارد و به آنها اجازه می دهد به گونه ای برهمکنش کنند که آزادسازی همزمان انرژی را ممکن می کند. الکترون‌های خارجی آرگون و نئون اثر یکسانی را در شرایط تجربی نشان ندادند.

فراتر از تولید پرتوهای ایکس با انرژی بالاتر، این کشف می تواند راهی جدید قدرتمند برای بررسی نحوه برهمکنش الکترون ها در اتم ها و سایر مواد به دانشمندان بدهد.

انتشار غیرمعمول اشعه ایکس منسجم می تواند به عنوان یک "حسگر" طیف سنجی بسیار حساس برای همبستگی های الکترون-الکترون عمل کند. با مطالعه شکل طیف ساطع شده، حداکثر انرژی آن و چگونگی تغییر آن با قطبش نور لیزر، محققان می توانند اطلاعاتی در مورد رفتار الکترون های برهم کنش در مقیاس های زمانی فوق العاده کوتاه به دست آورند.

این فعل و انفعالات در طول آتوثانیه اتفاق می‌افتند و یک آتوثانیه برابر با یک میلیاردم یک میلیاردم ثانیه است. مشاهده فرآیندها با چنین سرعتی برای درک چگونگی حرکت الکترون ها و تأثیر آنها بر یکدیگر در سیستم های کوانتومی ضروری است.

در نهایت، همین اصل ممکن است فراتر از اتم‌های هلیوم منفرد به مولکول‌ها و مواد جامدی که در آن‌ها الکترون‌ها به شدت برهم‌کنش دارند، بسط داده شود.

تکنیک پشت این کشف که به نام تولید با هارمونیک بالا شناخته می شود، در ابتدا به امکان فیزیک آتوثانیه کمک کرد. اکنون، محققان دریافته‌اند که می‌تواند رفتار پیچیده ذرات کوانتومی متقابل چندگانه را نیز آشکار کند.

این بینش‌ها می‌تواند به تحقیقات در مورد محاسبات کوانتومی کمک کند و به دانشمندان کمک کند نانومواد پیشرفته را با ویژگی‌های به دقت کنترل شده درک و طراحی کنند.

مواد ارائه شده توسط دانشگاه صنعتی وین. توجه: محتوا ممکن است برای سبک و طول ویرایش شود.

این سیاره بیگانه باید میلیاردها سال پیش جو خود را از دست می داد

یک آزمایش خون معمولی می تواند خطر زوال عقل را 15 سال قبل پیش بینی کند

نوشیدن چای ممکن است خطر ابتلا به بیماری های عروقی را کاهش دهد - اما یک مشکل وجود دارد

فراتر از کلسترول بد: دانشمندان عامل پنهان بیماری قلبی را کشف کردند