En forskare på jobbet i Extreme Light Laboratory vid University of Nebraska-Lincoln, där fysiker som använde det starkaste ljuset som någonsin producerats kunde förändra hur fotoner sprids från elektroner. Kredit:University Communication | University of Nebraska-Lincoln
Fysiker från University of Nebraska-Lincoln ser ett vardagligt fenomen i ett nytt ljus.
Genom att fokusera laserljuset till en ljusstyrka som är en miljard gånger större än solens yta - det starkaste ljus som någonsin producerats på jorden - har fysikerna observerat förändringar i en synaktiverande interaktion mellan ljus och materia.
Dessa förändringar gav unika röntgenpulser med potential att generera extremt högupplösta bilder användbara för medicinska, teknik, vetenskapliga och säkerhetsändamål. Lagets resultat, detaljerad 26 juni i tidningen Nature Photonics , bör också hjälpa till att informera framtida experiment med högintensiva lasrar.
Donald Umstadter och kollegor vid universitetets extrema ljuslaboratorium sköt sin Diocles Laser mot heliumsuspenderade elektroner för att mäta hur laserens fotoner - betraktade både partiklar och vågor av ljus - spridda från en enda elektron efter att ha slagit den.
Under typiska förhållanden, som när ljus från en glödlampa eller solen träffar en yta, att spridningsfenomen gör synen möjlig. Men en elektron - den negativt laddade partikeln som finns i materieformande atomer - sprider normalt bara en foton ljus i taget. Och den genomsnittliga elektronen åtnjuter sällan ens det privilegiet, Umstadter sa, drabbas bara en gång var fjärde månad eller så.
Med hjälp av det starkaste ljuset som någonsin producerats, Fysiker från University of Nebraska-Lincoln fick denna högupplösta röntgen av en USB-enhet. Bilden avslöjar detaljer som inte syns med vanlig röntgenbild Kredit:Extreme Light Laboratory | University of Nebraska-Lincoln
Även om tidigare laserbaserade experiment hade spridit några fotoner från samma elektron, Umstadters team lyckades sprida nästan 1, 000 fotoner åt gången. Vid de ultrahöga intensiteterna som lasern producerar, både foton och elektron betedde sig mycket annorlunda än vanligt.
"När vi har detta ofattbart starka ljus, det visar sig att spridningen - denna grundläggande sak som gör allt synligt - förändrar i grunden naturen, sa Umstadter, Leland och Dorothy Olson professor i fysik och astronomi.
En foton från standardljus sprider vanligtvis i samma vinkel och energi som den innehöll innan den träffade elektronen, oavsett hur starkt ljuset kan vara. Ändå fann Umstadters team att, över en viss tröskel, laserns ljusstyrka förändrade vinkeln, form och våglängd för det spridda ljuset.
"Så det är som om saker och ting ser annorlunda ut när du ökar ljusets ljusstyrka, vilket inte är något du normalt skulle uppleva, "Umstadter sa." (Ett objekt) blir normalt ljusare, men annars, det ser ut precis som det gjorde med en lägre ljusnivå. Men här, ljuset förändrar (objektets) utseende. Ljuset släcks i olika vinklar, med olika färger, beroende på hur ljust det är. "
Detta fenomen härrör delvis från en förändring av elektronen, som övergav sin vanliga upp-och-ned-rörelse till förmån för ett figur-8 flygmönster. Som det skulle under normala förhållanden, elektronen kastade också ut sin egen foton, som slogs loss av energin från de inkommande fotonerna. Men forskarna fann att den utmatade fotonen absorberade den kollektiva energin hos alla spridda fotoner, ger den energi och våglängd för en röntgen.
En återgivning av hur förändringar i en elektronrörelse (nedifrån) förändrar spridningen av ljus (ovanifrån), mätt i ett nytt experiment som sprider mer än 500 fotoner ljus från en enda elektron. Tidigare experiment hade lyckats sprida inte mer än några fotoner åt gången. Upphovsman:Extreme Light Laboratory | University of Nebraska-Lincoln
Röntgenens unika egenskaper kan tillämpas på flera sätt, Sa Umstadter. Dess extrema men smala energiområde, i kombination med dess utomordentligt korta varaktighet, kan hjälpa till att skapa tredimensionella bilder i nanoskopisk skala samtidigt som den dos som behövs för att producera dem minskar.
Dessa egenskaper kan göra det möjligt att jaga tumörer eller mikrofrakturer som undviker konventionella röntgenstrålar, kartlägga molekylära landskap av nanoskopiska material som nu hittar sin väg till halvledarteknik, eller upptäcka allt mer sofistikerade hot vid säkerhetskontroller. Atom- och molekylfysiker kan också använda röntgen som en form av ultrasnabb kamera för att fånga ögonblicksbilder av elektronrörelser eller kemiska reaktioner.
Som fysikerna själva, Umstadter och hans kollegor uttryckte också spänning över de vetenskapliga konsekvenserna av deras experiment. Genom att etablera ett samband mellan laserns ljusstyrka och egenskaperna hos dess spridda ljus, laget bekräftade en nyligen föreslagen metod för att mäta en lasers toppintensitet. Studien stödde också flera långvariga hypoteser om att tekniska begränsningar hade hindrat fysiker från att testa direkt.
"Det fanns många teorier, under många år, som aldrig hade testats i labbet, eftersom vi aldrig hade en tillräckligt stark ljuskälla för att faktiskt göra experimentet, "Sade Umstadter." Det fanns olika förutsägelser för vad som skulle hända, och vi har bekräftat några av dessa förutsägelser.
"Det är en del av det vi kallar elektrodynamik. Det finns läroböcker om klassisk elektrodynamik som alla fysiker lär sig. Så detta, på sätt och vis, var verkligen ett läroboksexperiment. "
