Én milliard soler:Verdens lyseste laser gnister ny adfærd i lys

Fysikere fra University of Nebraska-Lincoln ser et dagligdags fænomen i et nyt lys.

Ved at fokusere laserlys til en lysstyrke, der er en milliard gange større end solens overflade - det klareste lys, der nogensinde er produceret på Jorden - har fysikerne observeret ændringer i en vision -muliggørende interaktion mellem lys og stof.

Disse ændringer gav unikke røntgenpulser med potentiale til at generere ekstremt højopløsningsbilleder, der er nyttige til medicinske, ingeniørarbejde, videnskabelige og sikkerhedsmæssige formål. Holdets resultater, detaljeret 26. juni i journalen Natur fotonik , bør også hjælpe med at informere fremtidige eksperimenter med højintensitetslasere.

Donald Umstadter og kolleger ved universitetets ekstreme lyslaboratorium affyrede deres Diocles Laser mod helium -suspenderede elektroner for at måle, hvordan laserens fotoner - betragtes som både partikler og lysbølger - spredt fra en enkelt elektron efter at have ramt den.

Under typiske forhold, som når lys fra en pære eller solen rammer en overflade, at spredningsfænomen gør vision mulig. Men en elektron - den negativt ladede partikel, der findes i stofdannende atomer - spreder normalt kun en foton af lys ad gangen. Og den gennemsnitlige elektron nyder sjældent selv det privilegium, Umstadter sagde, kun blive ramt en gang hver fjerde måned eller deromkring.

Selvom tidligere laserbaserede eksperimenter havde spredt et par fotoner fra den samme elektron, Umstadters team formåede at sprede næsten 1, 000 fotoner ad gangen. Ved de ultrahøje intensiteter produceret af laseren, både fotonerne og elektronen opførte sig meget anderledes end normalt.

"Når vi har dette ufatteligt klare lys, det viser sig, at spredningen - denne grundlæggende ting, der gør alt synlig - fundamentalt ændrer sig i naturen, "sagde Umstadter, Leland og Dorothy Olson professor i fysik og astronomi.

En foton fra standardlys vil typisk spredes i samme vinkel og energi, som den fremhævede, før den ramte elektronen, uanset hvor stærkt lyset er. Alligevel fandt Umstadters team, at over en vis tærskel, laserens lysstyrke ændrede vinklen, form og bølgelængde af det spredte lys.

"Så det er som om tingene ser anderledes ud, når du skruer op for lysets klarhed, hvilket ikke er noget du normalt ville opleve, "Umstadter sagde." (Et objekt) bliver normalt lysere, men ellers, det ser ud som det gjorde med et lavere lysniveau. Men her, lyset ændrer (objektets) udseende. Lyset slukker i forskellige vinkler, med forskellige farver, alt efter hvor lyst det er. "

Dette fænomen stammer delvis fra en ændring i elektronen, som opgav sin sædvanlige op-og-ned-bevægelse til fordel for et flyve-mønster på figur-8. Som det ville under normale forhold, elektronen skød også sin egen foton ud, som blev skåret løs af energien fra de indkommende fotoner. Men forskerne fandt ud af, at den udstødte foton absorberede den kollektive energi fra alle de spredte fotoner, giver den energi og bølgelængde af en røntgenstråle.

Røntgenens unikke egenskaber kan anvendes på flere måder, Sagde Umstadter. Dens ekstreme, men snævre energiområde, kombineret med sin ekstraordinært korte varighed, kunne hjælpe med at generere tredimensionelle billeder på nanoskopisk skala og samtidig reducere den dosis, der er nødvendig for at producere dem.

Disse kvaliteter kan kvalificere det til at jage efter tumorer eller mikrofrakturer, der undgår konventionelle røntgenstråler, kortlægge molekylære landskaber af nanoskopiske materialer, der nu finder vej til halvlederteknologi, eller opdage stadig mere sofistikerede trusler ved sikkerhedskontroller. Atom- og molekylfysikere kunne også anvende røntgenstrålen som en form for ultrahurtigt kamera til at fange øjebliksbilleder af elektronbevægelse eller kemiske reaktioner.

Som fysikerne selv, Umstadter og hans kolleger udtrykte også begejstring for de videnskabelige konsekvenser af deres eksperiment. Ved at etablere et forhold mellem laserens lysstyrke og egenskaberne af dets spredte lys, teamet bekræftede en nyligt foreslået metode til måling af en lasers spidsintensitet. Undersøgelsen understøttede også flere mangeårige hypoteser om, at teknologiske begrænsninger havde forhindret fysikere i at teste direkte.

"Der var mange teorier, i mange år, der aldrig var blevet testet i laboratoriet, fordi vi aldrig havde en stærk nok lyskilde til rent faktisk at lave eksperimentet, "Umstadter sagde." Der var forskellige forudsigelser for, hvad der ville ske, og vi har bekræftet nogle af disse forudsigelser.

"Det er alt sammen en del af det, vi kalder elektrodynamik. Der er lærebøger om klassisk elektrodynamik, som alle fysikere lærer. Så dette, i en vis forstand, var virkelig et lærebogseksperiment. "