Spun lumina a urcat cu două ordine de mărime pe scara energetică • Igor Ivanov • Știință pe "Elemente" • Fizică

Lumina stridentă a crescut cu două ordine de mărime pe scara energetică.

Fig. 1. Wavefront pentru val de avion (în centru) și pentru lumină roșie (stânga și dreapta). Dacă, mai devreme, lumina roșie era limitată numai de domeniul optic, acum era posibil să se obțină în raze X. Imagine din articol în discuție Phys. Rev. Lett.

Lumina stridentă – o undă de lumină neobișnuită care poartă un moment de rotație – a fost folosită în fizică de mult timp, dar până în prezent nu a depășit limitele optice. Acum, fizicienii germani au reușit să obțină un fascicul strălucitor de raze X cu energie fotonică de 99 eV. Aceasta deschide noi posibilități atât în ​​fizica fundamentală, cât și în numeroase aplicații.

Lumina stinsa: prima cunoscuta

Lumina inversată este un fel de undă luminoasă, în care frontul valurilor nu este plat, ci spiralat, ca un șurub filetat (figura 1). Datorită acestui profil non-standard, un fascicul de lumină rotativă nu numai că zboară înainte, dar se pare că se rotește în jurul direcției sale de mișcare. Un astfel de fascicul de lumină nu numai că are energie, impuls și polarizare, ci și o anumită rotație, sigur orbital moment orbital.

Imediat merită făcută o avertizare importantă: în ciuda faptului că imaginea din fig.1 seamănă cu o ilustrare standard pentru polarizarea circulară, acestea fiind două caracteristici diferite și independente ale unui val de lumină. Polarizarea este legată de direcția câmpului electric din un val platși twist caracterizează profilul de undă valul non-planar indiferent de polarizare. Pentru o explicație detaliată, consultați articolul nostru Swirling Light and Twisted Electrons: O revizuire a rezultatelor noi.

Faptul că fotonii pot purta nu numai polarizarea, ci și impulsul orbital orbital a fost înțeles pentru o lungă perioadă de timp. Dar fasciculele luminoase cu atenție îngustă cu un front de undă elicoidală s-au învățat să primească doar în 1995. Datorită interesului enorm, tehnologia de obținere, detectare și control a luminii învârlite a fost rapid îmbunătățită și literalmente într-un deceniu sa transformat într-o metodă de rutină de cercetare în diverse ramuri ale fizicii.

Aici și subtile întrebări de optică, atât clasice cât și cuantice, și o varietate de întrebări din teoria cuantică a informațiilor. Starea cuantică a doi fotoni poate fi confundată nu numai de polarizare (care dă doar un spațiu bidimensional pentru entanglement, adică combinații arbitrare de polarizare circulară dreaptă și stângă), ci și de un impuls orbitar unghiular.Și din moment ce poate fi orice număr întreg, atunci spațiul pentru manipulare este mult mai amplu aici, în mod formal este arbitrar dimensional. Acum pot confunda stările fotonilor cu un moment unghiular orbital de nu ± 1, nu ± 2 și până la ± câteva sute. Acest lucru vă permite să efectuați experimente mecanice cuantice cu o libertate de acțiune fără precedent, crește în mod dramatic capacitatea de informare a fotonilor individuali, extinde posibilitățile criptografiei cuantice. În cele din urmă, lumina roșie este folosită ca o nouă metodă de a acționa asupra atomilor individuali, pe condensatul Bose-Einstein, ca un nou instrument de cercetare în microscopie, în micromecanică, în microundele optoelectronice și chiar în astrofizică. Numeroase exemple pot fi găsite într-o carte publicată acum doi ani (J. P. Torres, R. Torner, 2011. Twisted Photons).

Cum de a crește energia?

Acest lucru este minunat, dar până acum posibilitățile experimenților nu au depășit gama optică (energia fotonică este de aproximativ 1 electron volt, eV). Dar, pentru o serie de sarcini, chiar vreau să ajung în fotoni învârtitori cu mult mai multă energie. Să presupunem că dacă ar fi disponibile raze X (energii fotonice în sute de eV și keV),atunci noile vopsele ar juca analiza cu raze X a substanței și, în special, a moleculelor complexe (în special importante din punct de vedere biologic) cu o mișcare elicoidală. În fizica atomică, ar părea o modalitate de a excita tranzițiile electronice cu o schimbare bruscă a momentului unghiular orbital – ceva care se face cu mare dificultate astăzi. Dacă, totuși, este posibil să se obțină fotoni învârtitori cu energii de ordinul MeV și mai mare, atunci se va deschide o nouă cale de a excita stările de rotație ale nucleelor ​​și poate chiar particulele elementare. În general, perspectivele sunt atrăgătoare – trebuie doar să faci astfel de fotoni o realitate.

Din păcate, tehnicile standard de răsucire a luminii nu funcționează aici. De fapt, fotonii răsuciți de obicei sunt obținuți după cum urmează: mai întâi generează unde obișnuite ale planetei luminoase cu un front de undă larg și uniform și apoi le trec prin dispozitive speciale de difracție sau alte "măști" care taie profilul formei dorite de undele luminoase articolul nostru de revizuire). Dar pentru energiile de sute de eV și de mai sus, este dificil să găsim surse de fotoni cu o bună coerență și să creăm "măști optice" potrivite.Prin urmare, oamenii de știință au început să se încline la ideea că este necesară schimbarea radicală a metodei de obținere a fotonilor învârtitori de energie înaltă.

Fig. 2. Diagrama apariției radiației sincrotronice în undulator. Imagine de la foton-science.desy.de

În 2007, în articolul Phys. Rev. Lett. 100, 124801, a fost făcută o propunere pentru a genera un fascicul luminos de raze X învârtitoare utilizând un undulator. Ideea este asta. Luăm acceleratorul obișnuit de electroni la energii moderate (adică mai multe GeV) și conducem fasciculul de electroni printr-o secțiune dreaptă, în care sunt instalate un număr de magneți de polaritate alternantă într-un rând (figura 2). Flying printr-un astfel de câmp, banda de electroni va wag de la o parte la alta, și, wagging, va emite radiații sincrotron. Această radiație poate fi făcută destul de puternică, redusă, monocromatică și, în plus, cu o frecvență tunabilă care depinde de energia electronilor. Pentru mai multe informații despre principiul funcționării și utilizarea undulatorului, vedeți știrile noastre. Fizicienii au creat un microscop de raze X pentru desktop. Acest principiu, în special, operează un laser cu electroni liber.

Ondulatorii sunt de două tipuri principale: plat și spirală.În primul rând, fasciculul de electroni oscilează într-un plan (ca în figura 2), în al doilea, traiectoria sa este o spirală. Acest lucru afectează proprietățile radiației: într-un plat, este polarizat liniar, iar într-o spirală este circular. Dar asta nu e tot. Conform calculelor din articolul din 2007, se constată că aceasta va afecta și rotația fotonilor emise: în undulatorul spiral va apărea radiație cu un anumit moment unghiular orbital.

Adevărat, există o subtilitate mică, ceea ce face problema mult mai complicată. Pentru multe procese periodice, efectul pe care îl produc, dacă este extins în oscilații cu o anumită frecvență, poate conține nu numai frecvența principală (așa-numita fundamentală), ci și frecvențe multiple: dublate, triple, etc. Același lucru este valabil și pentru radiația undulator: În general, radiația se desfășoară la o frecvență fundamentală, dar există și radiații la frecvențe multiple, deși este mult mai slabă. După cum au arătat calculele, pentru răsucirea fotonilor nu este necesară o frecvență fundamentală, dar o frecvență mai mare; Aceeași concluzie a fost apoi confirmată în articolul arXiv: 1109.1603.

Röntgen cu raze X obținut

Ideea propusă nu a fost atât de simplă de implementat.Punctul aici nu este numai faptul că emisia undulatorului la frecvențe multiple este slabă și de aceea, de obicei, nu este studiată. Se pare că demonstrarea prezenței momentului unghiular orbital într-o undă non-plană nu este atât de simplă. Dacă o astfel de lumină răsucită stralucește pe ecran, va lăsa o marcă sub forma unui cercel simetric elegant. Dar aceleași inele de luminozitate pot fi create fără răsucire (cititorii Elementelor au întâlnit deja acest exemplu în lumina polarizată radial). Prin urmare, pentru a demonstra că fotonii obținuți sunt de fapt răsuciți, este de dorit să se utilizeze o metodă mai precisă.

O astfel de metodă a fost inventată și implementată în fizică. Rev. Lett. 111, 034801 (2013). Datorită lui, fizicienii puteau să vadă pentru ei înșiși că fotonii cu raze X cu energia de 99 eV au primit cu adevărat un moment unghiular orbital.

Fig. 3. Schema experimentului privind observarea radiației undulatoare cu raze X cu impuls orbitar orbital. Imagine din articol în discuție Phys. Rev. Lett.

În fig. 3 prezintă schema experimentului efectuat pe inelul electronic BESSY II de stocare electronică. Fizicienii au stabilit pe aceasta o imagine specială, dublu undulator.Prima jumătate din ea a forțat banda de electroni să se miște într-o spirală și apoi a tradus traiectoria într-un avion. Radiația a continuat în ambele domenii, și, desigur, a fost de aceeași frecvență și suprapusă între ele. Ca urmare, ceea ce a căzut pe ecran nu era o raze X răsucite pur, dar amestec care a fost înregistrată de un monochromator și un detector special.

Iar o astfel de interferență, așa cum sa dovedit, duce la un model complex care arată în mod clar prezența și direcția curlinei radiației generate în prima etapă. În fig. 4 din stânga arată modul în care distribuția intensității a fost privită în realitate, iar în partea dreaptă – rezultatele simulării numerice. Structura spirală a radiației este vizibilă, care coincide bine cu rezultatele simulării. Când direcția traiectoriei spirale sa schimbat în prima jumătate a undulatorului, direcția spirală în această distribuție sa schimbat și ea. Subliniem că acest rezultat se referă la radiații la o frecvență dublă; nu a existat nici o rotire pe frecvența principală. De asemenea, nu există, desigur, când deconectați oricare dintre jumătățile undulatorului.

Fig. 4. Măsurată experimental (în stânga) și obținut prin modelare (în dreaptaa) distribuția intensității radiației în undulator dublu. Imagine din articol în discuție Phys. Rev. Lett.

Astfel, metoda de obținere a unei radiații X învârtătoare propusă cu 6 ani în urmă a fost implementată cu succes, iar fizica luminii învârlite a amplificat amploarea undelor electromagnetice cu două ordine de mărime dintr-o dată. Dacă se dorește, pot fi setate experimente cu raze X răsucite chiar acum. În paralel cu aceasta, se poate încerca și creșterea energiei fotonice: pentru a face acest lucru este suficient să instalați același undulator dublu într-un inel de stocare cu o energie de electron mai mare. Deoarece în colizoare electronice moderne, energii de ordinul a 100 GeV sunt deja realizabile, iar energia fotonilor emise într-un undulator crește în mod cvadrat cu energia electronilor, fotonii răsuciți MeV par deja destul de realizabili.

Sursa: J. Bahrdt și colab. Prima observație a fotonilor care efectuează un moment unghiular orbital în radiația undulatorului // Phys. Rev. Lett. 111, 034801 (2013).

Igor Ivanov


Like this post? Please share to your friends:
Lasă un răspuns

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: