Røntgen-Rabi-svingninger mellem kerner observeret i koblede hulrum

Røntgenstråler interagerer svagt med stof. Dette er deres største styrke til mange applikationer, men også en grundlæggende svaghed for andre. Især områderne ikke -lineær optik og kvanteoptik, grundpillerne til både grundvidenskab og teknologiske anvendelser med lys, kræver et stærkt samspil. Dermed, der gøres en indsats i forskellige retninger for at intensivere lys-stof-interaktionen i røntgenregimet. En af vejene mod dette mål anvender brug af såkaldte resonante processer. Røntgenabsorption ved atomresonanser (ved bølgelængder, der præcist matcher den energi, der kræves for at skubbe atomet i en ophidset tilstand) kan være størrelsesordener større end off-resonans. En ny undersøgelse ledet af DESY-videnskabsmanden Ralf Röhlsberger viser nu en ny måde at forbedre og kontrollere interaktionen mellem røntgenstråler og resonante atomsystemer.

Det ultimative niveau i lys-stof-interaktionen i denne henseende ville være dannelsen af ​​en sammensat tilstand af lys og stof. I dette tilfælde udsendes excitationsenergien periodisk og reabsorberes flere gange i prøven. "Disse" "Rabi-oscillationer" "manifesterer sig som et karakteristisk tidsmæssigt mønster i det lys, der udsendes ved at sive ud af systemet, "forklarer Röhlsberger. I røntgenområdet, de stærkeste resonanser af alt stof findes i kernerne i de såkaldte Mössbauer-isotoper (opkaldt efter Rudolf Mössbauer, Nobelprisen i fysik 1961). De tilbyder den ekstra fordel, at deres levetid kan være flere ti nanosekunder lang (et nanosekund er en milliarddel af et sekund), så deres tidsmæssige dynamik let kan observeres. Forskere fra DESY i Hamborg, Max-Planck-instituttet for kernefysik i Heidelberg, og det europæiske synkrotronstrålingsanlæg i Grenoble har nu observeret Rabi-svingninger i røntgenregimet for første gang, ved hjælp af en bestemt form for elementært jern (Mössbauer -isotopen 57Fe).

"Normalt, Rabi -svingninger observeres i optiske hulrum, "siger første forfatter Johann Haber fra DESY. Disse er i det væsentlige to spejle, mellem hvilke lyset hopper frem og tilbage. Hvis der placeres et atom mellem dem, atomet kan absorbere og genudsende denne stråling-da spejlene vil reflektere det tilbage til dem, denne proces kan gentage sig selv i nogen tid, fører til Rabi-svingninger. "Imidlertid, dette er ikke en mulighed for røntgenfysik, da der ikke findes sådanne spejle til røntgenstråler, som der er til synligt lys, "forklarer Haber." Selvom det er muligt at fremstille røntgenhulrum og observere en række kvanteoptiske fænomener med dem, den stærke koblingsgrænse er klart uden for rækkevidde i sådanne systemer. Årsagen er simpelthen, at resonanslevetiden for det bare hulrum er så kort, (inden for femtosekunder,; det vil sige kvadrilliondeler af et sekund, ) at en foton, der udsendes i hulrummet, snarere forlader hulrummet i stedet for at interagere med kernerne igen. "

Derfor, en anden tilgang var nødvendig. Tricket var forberedelsen af ​​to koblede hulrum, der hver indeholdt et tyndt lag af 57Fe -kerner. "Dette ændrer situationen drastisk, "siger Röhlsberger." Hvis et af lagene udsender en foton, denne foton undslipper næsten øjeblikkeligt hulrummet. Men det er lige så sandsynligt, at man ikke bevæger sig ind i det tilstødende hulrum, hvor det ville blive absorberet af det andet lag af 57Fe -kerner. Ved udsendelse, denne proces gentages. På en måde, fotonet udveksles nu ikke mellem hulrumstilstanden og et atom, men mellem to ensembler af atomer. "

Dette trick åbner nye perspektiver for at observere ikke-lineære optiske effekter i røntgenregimet. "En interessant forskningsvej ville være at undersøge, om ikke-lineariteter opstår, når mere end blot en foton kommer ind i systemet, "siger medforfatter Adriana Palffy fra Max Planck Institute for Nuclear Physics." Dette er blevet observeret med optisk stråling, og kunne gentages i røntgenområdet, for eksempel på det nye europæiske XFEL, fri-elektron røntgenlaseren i Hamborg. "Desuden er disse koblede hulrum kan bruges til at generere ikke-klassiske røntgenstråler, som kan lette realiseringen af ​​helt nye røntgenteknikker, som billeddannelse eller spektroskopi med såkaldte sammenfiltrede fotoniske tilstande.