Symbolisk illustration av interaktionen mellan två tunna ark Mössbauer-kärnor med en röntgenstråle som genomgår flera reflektioner i ett system med två kopplade håligheter. Den starka strålningskopplingen av kärnorna i hålrummen leder till ett periodiskt utbyte av excitationsenergi mellan de två kärnkraftsensemblerna, de så kallade Rabi-svängningarna. Upphovsman:DESY, Ralf Röhlsberger/Boris Kumicak
Röntgenstrålar interagerar svagt med materia. Detta är deras största styrka för många applikationer, men också en grundläggande svaghet för andra. I synnerhet områdena olinjär optik och kvantoptik, grundpelare för både grundvetenskap och tekniska tillämpningar med ljus, kräver en stark interaktion. Således, ansträngningar åt olika håll görs för att intensifiera ljus-materia-interaktionen i röntgenregimen. En av vägarna mot detta mål använder sig av så kallade resonanta processer. Röntgenabsorption vid atomresonanser (vid våglängder som exakt matchar energin som krävs för att trycka atomen i ett upphetsat tillstånd) kan vara storleksordningar större än off-resonans. En ny studie som leds av DESY-forskaren Ralf Röhlsberger visar nu ett nytt sätt att förbättra och kontrollera interaktionen mellan röntgenstrålar och resonanta atomsystem.
Den slutliga nivån i ljus-materia-interaktionen i detta avseende skulle vara bildandet av ett sammansatt tillstånd av ljus och materia. I detta fall avges och exciteras energin periodiskt och reabsorberas flera gånger i provet. "Dessa" "Rabi-oscillationer" "manifesteras som ett karakteristiskt tidsmönster i det ljus som avges genom att läcka ut ur systemet, "förklarar Röhlsberger. I röntgenområdet, de starkaste resonanserna av all materia finns i kärnorna i de så kallade Mössbauer-isotoperna (uppkallad efter Rudolf Mössbauer, Nobelpriset i fysik 1961). De erbjuder den extra fördelen att deras livstid kan vara flera tio nanosekunder lång (en nanosekund är en miljarddel av en sekund) så att deras tidsdynamik enkelt kan observeras. Forskare från DESY i Hamburg, Max-Planck-institutet för kärnfysik i Heidelberg, och den europeiska synkrotronstrålningsanläggningen i Grenoble har nu observerat Rabi-svängningar i röntgenregimen för första gången, med en viss form av elementärt järn (Mössbauer -isotopen 57Fe).
"I vanliga fall, Rabi -svängningar observeras i optiska håligheter, "säger författaren Johann Haber från DESY. Dessa är i huvudsak två speglar mellan vilka ljuset studsar fram och tillbaka. Om en atom placeras mellan dem, atomen kan absorbera och avge den strålningen igen-eftersom speglarna kommer att reflektera den tillbaka till dem, denna process kan upprepa sig under en tid, som leder till Rabi-svängningar. "Dock, detta är inte ett alternativ för röntgenfysik, eftersom det inte finns sådana speglar för röntgenstrålar som för synligt ljus, "förklarar Haber." Även om det är möjligt att tillverka röntgenhålor och observera ett antal kvantoptiska fenomen med dem, den starka kopplingsgränsen är helt klart utom räckhåll i sådana system. Orsaken är helt enkelt att resonans livslängd för den kala kaviteten är så kort, (i intervallet femtosekunder,; det vill säga kvadriljondelar av en sekund, ) att en foton som sänds ut i hålrummet snarare lämnar kaviteten istället för att interagera med kärnorna igen. "
Mätning av den temporala utvecklingen av intensiteten reflekterad av de två kopplade hålrummen. Signalen uppvisar en sinusformad modulering, som visar det periodiska utbytet av excitationsenergi mellan de två kärnkraftsensemblerna. Detta är den typiska signaturen för Rabi -svängningar. Det kan beskrivas ganska exakt inom den kvantoptiska (QO) modellen som utvecklats för detta system. Upphovsman:DESY
Därav, ett annat tillvägagångssätt behövdes. Tricket var förberedelsen av två kopplade håligheter, var och en innehöll ett tunt lager av 57Fe -kärnor. "Detta förändrar situationen drastiskt, "säger Röhlsberger." Om ett av lagren avger en foton, denna foton slipper nästan omedelbart hålrummet. Men det är lika troligt att det inte rör sig in i det intilliggande hålrummet, där det skulle absorberas av det andra lagret av 57Fe -kärnor. Vid utsläpp, denna process upprepas. På ett sätt, fotonen byts nu inte mellan kavitetsläget och en atom, men mellan två atomer. "
Detta trick öppnar nya perspektiv för att observera olinjära optiska effekter i röntgenregimen. "En intressant forskningsväg skulle vara att undersöka om icke-lineariteter uppstår när mer än bara en foton kommer in i systemet, "säger medförfattaren Adriana Palffy från Max Planck Institute for Nuclear Physics." Detta har observerats med optisk strålning, och kan upprepas inom röntgenområdet, till exempel vid det nya europeiska XFEL, frielektronröntgenlasern i Hamburg. "Dessutom, dessa kopplade hålrum kan användas för att generera icke-klassiska tillstånd av röntgenstrålar som kan underlätta förverkligandet av helt nya röntgentekniker, som avbildning eller spektroskopi med så kallade intrasslade fotoniska tillstånd.
