Gli scienziati hanno violato una regola consolidata della fisica

• Gli scienziati hanno superato i limiti di energia dei raggi X
• L'apertura è legata all'interazione di due elettroni
• Questo potrebbe cambiare l'approccio allo studio dei sistemi quantistici

Gli scienziati hanno violato una regola consolidata della fisica

Recenti ricerche condotte da scienziati della TU Wien e dell'Università della California a San Diego hanno dimostrato la possibilità di superare i limiti di energia dei raggi X, mettendo in discussione le concezioni tradizionali della fisica laser. Utilizzando potenti laser ultravioletti, i ricercatori sono stati in grado di generare raggi X con energie significativamente superiori alle previsioni del modello standard. Questa scoperta si basa su un'interazione insolita di due elettroni, che consente loro di liberare insieme la propria energia.

Tradizionalmente si pensava che indirizzando la luce laser su determinati atomi, questi potessero emettere brevi impulsi di luce ad alta frequenza, inclusi i raggi X. Tuttavia, la teoria esistente prevede un'energia massima per queste emissioni, basata sulle proprietà del laser in ingresso. Al di là di questo valore, noto come limite energetico, la produzione di raggi X diventa estremamente debole. Una nuova ricerca mostra che questo limite può essere superato in presenza di una certa interazione tra due elettroni.

Il professor Tenio Popminchev dell'Istituto di fotonica TU Wien ha osservato che il meccanismo di generazione di brevi impulsi di raggi X è noto da tempo. Un laser strappa un elettrone da un atomo, che viene poi accelerato nel campo elettrico del laser e alla fine collide di nuovo con l'atomo, perdendo la sua energia sotto forma di luce. Tuttavia, una nuova ricerca mostra che, nell'interazione di due elettroni, è possibile generare raggi X con energie superiori ai limiti tradizionali.

Una svolta nella generazione di raggi X

I ricercatori hanno condotto un esperimento in cui hanno utilizzato impulsi laser ultravioletti intensi per interagire con atomi di elio. A differenza del processo normale, in cui partecipa un solo elettrone, in questo esperimento entrambi gli elettroni dell'elio sono stati liberati in sequenza. Il primo elettrone è stato liberato e accelerato, seguito dal secondo. Anche se gli elettroni sono stati liberati in momenti diversi, il loro comportamento è rimasto interconnesso grazie alle correlazioni quantistiche.

Il team è riuscito a organizzare in modo che entrambi gli elettroni tornassero all'atomo contemporaneamente. Questo ha permesso di liberare l'energia di due elettroni simultaneamente, portando alla generazione di un fotone X con energia superiore. In questo modo, i ricercatori hanno dimostrato che l'interazione di due elettroni può portare alla produzione di raggi X che superano i limiti energetici tradizionali.

Analizzando lo spettro della radiazione coerente emessa, gli scienziati hanno scoperto una seconda area di emissione stabile a energie dei fotoni significativamente più elevate di quanto previsto dalla teoria standard. Questa area aggiuntiva, nota come plateau, era più debole della radiazione principale, ma si estendeva ben oltre il range di energia precedentemente stabilito. Questa scoperta è stata ottenuta solo utilizzando elio, mentre esperimenti simili con argon e neon non hanno dimostrato tale comportamento.

Interazione insolita degli elettroni

L'elio presenta correlazioni particolarmente forti tra i suoi due elettroni, il che consente loro di interagire in un modo che rende possibile il rilascio simultaneo di energia. Al contrario, gli elettroni esterni dell'argon e del neon non hanno mostrato un effetto analogo nelle condizioni sperimentali. Questa differenza fornisce prove importanti per la spiegazione proposta.

La scoperta di raggi X ad alta energia può fornire agli scienziati un potente nuovo strumento per studiare l'interazione degli elettroni all'interno degli atomi e di altri materiali. L'insolita radiazione coerente dei raggi X può fungere da "sensore" spettroscopico ad alta sensibilità per le correlazioni tra gli elettroni. Studiando la forma dello spettro emesso e la sua energia massima, i ricercatori possono ottenere informazioni sul comportamento degli elettroni interagenti su scale temporali estremamente brevi.

Queste interazioni avvengono in attosecondi, dove un attosecondo è pari a un miliardesimo di miliardesimo di secondo. L'osservazione dei processi a tali velocità è fondamentale per comprendere come gli elettroni si muovono e influenzano l'uno l'altro nei sistemi quantistici. Questa scoperta potrebbe aprire nuovi orizzonti nel campo della fisica quantistica e della tecnologia laser.

Conseguenze pratiche e futuro della ricerca

In futuro, il principio alla base di questa scoperta potrebbe essere esteso oltre i singoli atomi di elio a molecole e materiali solidi, in cui gli elettroni interagiscono fortemente. Questo potrebbe portare a nuovi metodi di ricerca e comprensione di sistemi quantistici complessi, il che è fondamentale per lo sviluppo di nuove tecnologie.

Pertanto, i risultati di questa ricerca non solo sfidano le concezioni tradizionali della fisica laser, ma aprono anche nuove opportunità per studiare le interazioni quantistiche. Gli scienziati sperano che ulteriori ricerche possano aiutare a comprendere più a fondo i meccanismi alla base di questi processi e le loro potenziali applicazioni in vari campi della scienza e della tecnologia.

In conclusione, la scoperta fatta dal team della TU Wien e dell'Università della California a San Diego sottolinea l'importanza di un approccio interdisciplinare nella scienza. La sinergia tra diverse aree della fisica può portare a significativi progressi che cambieranno la nostra comprensione del mondo a livello quantistico.

Fonte: ScienceDaily