Frecvențele razelor X pot fi reglate continuu, ca la o chitară cu slide
Cercetătorii au dezvoltat o metodă care permite reglarea continuă a frecvenței razelor X generate cu pulsuri laser ultrascurte, depășind limitarea care impunea anterior producerea doar a anumitor frecvențe fixe. Rezultatele au fost publicate în revista Communications Physics.
De zeci de ani, fizicienii folosesc un procedeu prin care atomii, iradiați cu laser, emit o serie de frecvențe care sunt multipli întregi ai frecvenței originale — așa-numitele „armonici superioare”. Fenomenul amintește de instrumentele muzicale: când o vioară cântă o notă la 440 de herți, se produc automat și tonuri la 880 de herți și la multipli superiori. În fizica laserelor se folosește termenul „pieptene de frecvențe”, deoarece frecvențele rezultate sunt separate de un interval fix, precum dinții unui pieptene.
Avantajul este că o singură configurație experimentală generează o gamă întreagă de frecvențe. Dezavantajul apare atunci când lungimea de undă necesară se situează între doi „dinți” ai pieptenului de frecvențe — de exemplu, când se încearcă excitarea unei rezonanțe atomice care necesită o frecvență foarte specifică.
Echipa a rezolvat această problemă prin deplasarea continuă a frecvențelor, astfel încât să fie acoperit întregul interval dintre doi dinți vecini ai pieptenului. „Timp de decenii, lumina cu armonici superioare s-a comportat ca o chitară cu taste fixe”, explică Tenio Popmintchev, profesor la Institutul de Fotonics al TU Wien. „Acum am construit ceva mai degrabă ca o chitară cu slide în domeniul razelor X: putem trece continuu între armonici, în ambele direcții, și putem selecta exact energia de care avem nevoie.”
Procedeul nu constă în modificarea directă a razelor X, ci a laserului care le generează. Dacă frecvențele razelor X sunt „armonice” — multipli întregi ai frecvenței laserului —, atunci chiar și o mică schimbare a frecvenței laserului produce o schimbare mult mai mare a frecvențelor razelor X rezultate. O deplasare relativ mică a lungimii de undă a laserului poate acoperi întregul interval până la următoarea armonică din domeniul razelor X.
Din punct de vedere tehnic, echipa a folosit un laser cu yterbiu în infraroșu, a cărui lumină este trimisă printr-un ghid de undă gol, lung de șase metri, umplut cu gaz. În interiorul ghidului, o interacțiune neliniară puternică între lumină și gaz modifică spectrul pulsului.
Lumina laser infraroșie astfel modificată este apoi convertită în lumină vizibilă cu ajutorul unui cristal, iar doar această lumină vizibilă special pregătită, cu o gamă de culori de la albastru la galben-verde, este direcționată spre atomii de heliu. Comparativ cu lumina infraroșie folosită în mod normal, lumina vizibilă are avantaje importante: poate fi controlată foarte precis astfel încât să oscileze într-un ritm care se potrivește cu razele X emergente. Doar dacă această precizie de sincronizare este menținută — în termeni fizici, când se realizează potrivirea de fază a undelor electromagnetice — atomii iluminați pot produce împreună un fascicul de raze X mai luminos și cu o lățime de linie mai îngustă, în loc de unde de raze X necoordonate care se anulează parțial.
În plus, fiecare atom produce armonici mai intense: cu lumină vizibilă ca driver, electronii sunt accelerați și se recombina într-un interval mai scurt decât cu pulsuri infraroșii. „Lărgirea spectrală, de tipul celei produse în ghidul nostru de undă umplut cu gaz, ar însemna în mod normal pierderea controlului asupra pulsului”, spune Dimitar Popmintchev de la Institutul de Fotonics al TU Wien, primul autor al studiului. „Am realizat că exact aceeași neliniaritate poate fi folosită și pentru a dirija pulsul într-un mod controlat.”
În funcție de gazul utilizat, spectrul poate fi deplasat în direcții diferite. Gazele atomice îl lărgesc atât spre frecvențe mai înalte, cât și mai joase. „Gazele moleculare pot produce o deplasare mai puternică spre lungimi de undă mai mari prin schimb de energie cu gradele lor interne de libertate. Tipul de gaz și presiunea pot fi deci folosite pentru a controla atât direcția, cât și amploarea deplasării de frecvență”, explică Paolo Carpeggiani de la TU Wien. Emisia de raze X rămâne luminoasă pe întregul interval de reglare, iar liniile spectrale înguste sunt păstrate.
Noua metodă este deosebit de interesantă pentru experimentele în care frecvența luminii trebuie reglată precis la o rezonanță specifică. Acest lucru este crucial pentru domenii precum spectroscopia de precizie, ceasurile nucleare și metrologia semiconductorilor. „Natura nu își plasează rezonanțele acolo unde cad armonicile noastre”, spune Popmintchev. „Dacă putem scana continuu un întreg interval de energie în loc să sărim pur și simplu între frecvențe fixe, multe experimente devin practic fezabile, folosind aparatură de laborator — mult mai mică decât fabricile de fotoni la scară largă, precum sincrotroanele și laserele cu electroni liberi.”
