Control de la nada

Cómo los fotones virtuales alteran los espectros atómicos

02.04.2019

DESY, Haber et al.

Montaje experimental para medir el desplazamiento colectivo Lamb en tántalo.

DESY, Haber et al.

Prueba del desplazamiento colectivo de Lamb alrededor de la resonancia en el borde de absorción L3 del tántalo.

Ciertas propiedades ópticas de los átomos metálicos pueden ser controladas con la ayuda de fotones virtuales. Esto ha sido demostrado por primera vez por un equipo de investigación de DESY usando la radiación altamente brillante de la fuente de luz de rayos X PETRA III de DESY. En la revista "Physical Review Letters" informan sobre cómo los espectros de absorción de rayos X de los átomos metálicos pueden ser controlados por fotones virtuales. Esto abre nuevas posibilidades para modificar específicamente las propiedades ópticas de rayos X de los materiales.

Los llamados fotones virtuales juegan un papel importante en la interacción de la luz y la materia. Esto es tanto más notable cuanto que no existen en absoluto en el sentido clásico. Los fotones virtuales pueden ser creados de la nada en un vacío y luego desaparecer de nuevo después de un tiempo inimaginablemente corto. Si estos fotones interactúan durante su corta existencia con los electrones de un átomo, las energías de unión de los electrones se desplazan muy fácilmente.

Este efecto fundamental fue medido por primera vez en los átomos de hidrógeno en 1947 por Willis Lamb. Este cambio de Lamb, que lleva su nombre, proporcionó a los físicos teóricos de la época una pista extremadamente importante sobre cómo debían calcular la interacción de los fotones virtuales con la materia. Este fue el gran avance para el desarrollo de la electrodinámica cuántica (QED), la teoría fundamental de la interacción de la luz con la materia. Lamb recibió el Premio Nobel de Física en 1955 por su experimento pionero.

La interacción con los fotones virtuales cambia fundamentalmente si hay muchos átomos similares involucrados. Si están muy juntos, los fotones virtuales pueden causar una interacción entre los átomos. El desplazamiento colectivo resultante de Lamb puede ser mucho mayor que el de los átomos individuales y depende en gran medida de la disposición espacial de los átomos. Sin embargo, según su predicción de 1973, este cambio colectivo había evitado durante mucho tiempo las pruebas experimentales, ya que no era posible preparar átomos idénticos con una densidad suficiente.

El grupo DESY, dirigido por Ralf Röhlsberger, sólo pudo detectar el isótopo de hierro 57Fe directamente en 2012. Un gran número de átomos de este isótopo pueden ser incrustados en sistemas de película delgada especialmente estructurados utilizando modernas técnicas de recubrimiento, que a su vez actúan como los llamados resonadores para los rayos X. En estos, la interacción de los fotones virtuales con los núcleos atómicos se intensifica aún más al reflejar la luz de un lado a otro entre dos espejos alrededor de los átomos resonantes. Dado que la línea de resonancia del 57Fe es extremadamente estrecha, los desplazamientos más pequeños de esta línea se pueden medir con la máxima precisión. Mientras que de esta manera se pudo confirmar e investigar en detalle el desplazamiento colectivo del Cordero, estos estudios se limitaron al isótopo 57Fe.

En el nuevo trabajo, el equipo de Johann Haber ha logrado por primera vez detectar el desplazamiento colectivo Lamb incluso en las resonancias de la cubierta del electrón. Aquí un electrón es excitado por la absorción de un fotón de una capa de energía baja, es decir, la órbita alrededor del núcleo atómico, en una capa de energía más alta. Para este experimento, los investigadores utilizaron una resonancia en el borde de absorción de 9,88 keV L del tántalo metálico, que es particularmente pronunciada. Los átomos fueron preparados de una manera muy similar a los experimentos 57Fe. Como muestran las mediciones, el desplazamiento colectivo Lamb de la resonancia tántalo puede llegar a ser de hasta tres electrones voltios (3 eV) dependiendo de la dirección de excitación y cambiar su signo en el proceso. Esto abre nuevas posibilidades de aplicación, ya que hay una serie de elementos con resonancias de envolvente de banda suficientemente estrecha.

"Estos resultados son de gran relevancia para la espectroscopia de alta precisión en el rango de rayos X", dice Sonia Francoual, científica responsable de los experimentos de guía de haz P09 en PETRA III. En los resonadores de rayos X de este experimento se forman ondas estacionarias que no difieren de las que se producen en ciertos estudios de espectroscopia de rayos X. Estas ondas estacionarias también pueden influir en la firma espectroscópica de cualquier resonancia de materia o estado de excitación al que se acoplan. Si se combinan ondas de rayos X estacionarias con investigaciones espectroscópicas, pueden producirse desplazamientos inducidos cuánticamente y ópticamente que falsifican la señal y los resultados.

"Además, esperamos que este experimento conduzca a nuevas aplicaciones de la óptica cuántica de rayos X que funcionan con resonancias electrónicas, como un acoplamiento fuerte entre un modo resonador y un conjunto de átomos resonantes", dice Haber. De hecho, las líneas de resonancia como la resonancia de tántalo L3 tienen una serie de ventajas sobre la resonancia nuclear de 57Fe. Por ejemplo, las líneas de resonancia electrónica son más de diez órdenes de magnitud (diez mil millones de veces más anchas) que las líneas de resonancia nuclear. Esto hace que los llamados experimentos multifotónicos sean mucho más fáciles, ya que la radiación de rayos X contiene muchos más fotones dentro del ancho de banda de las resonancias electrónicas. Esto abrirá nuevas posibilidades para la óptica no lineal amplificada por resonancia en el rango de rayos X.

Los procesos de desplazamiento colectivo de corderos podrían ser particularmente relevantes para las nuevas técnicas que explotan los procesos de emisión estimulada de las resonancias electrónicas excitadas por la radiación láser de rayos X. Finalmente, la disponibilidad de pulsos de attosegundos en el rango de rayos X duros también abre la investigación de los efectos de la óptica cuántica de rayos X con la resolución temporal más alta.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Alemán se puede encontrar aquí.

Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY

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