En oväntad matematisk koppling mellan en speciell typ av mekanisk rörelse och ljusets beteende har upptäckts av tre RIKEN -fysiker1. Denna konstiga länk kan hjälpa fysiker att utforma framtida partikelacceleratorer samt undersöka heta joniserade gaser som kallas plasma.

Hitoshi Tanaka och hans kollegor från RIKEN SPring-8 Center gjorde upptäckten av en slump. De konstruerade en nästa generations synkrotronstrålningskälla där elektronstrålar reser runt en stor cirkulär krets, avger röntgen när de reser. Accelererande hålrum accelererar regelbundet strålarna för att hålla dem vid en konstant energi.

Teamet ville hitta ett sätt att säkert och effektivt absorbera strålens energi genom att rymligt expandera strålar. "Vi har en skarp, högintensitetsstråle som kan smälta en vakuumkammare av stål, "Säger Tanaka.

Teamet modellerade matematiskt elektronerna som cirkulerar i synkrotronstrålningskällan. En kärndel av den inbyggda modellen motsvarar en forcerad harmonisk oscillator, med en naturlig svängningsfrekvens som varierar långsamt. Ett enkelt exempel på en tvingad harmonisk oscillator är ett barn på en gunga, skjuts av en förälder i precis rätt ögonblick för att öka gungans amplitud. I Tanakas fall, elektroden ger denna drivkraft, orsakar att elektronerna vibrerar något när de reser runt.

Teamet löste ekvationen för att hitta den optimala frekvensen som behövs för att öka elektronernas oscillationsamplitud för att sprida elektronstrålar. Förvånande, lösningen liknade en som beskriver ett helt annat system - hur ljusvågor stör när en ljusstråle passerar genom en smal slits. När en skärm placeras långt från slitsen, ett mönster av ljusa och mörka ränder visas på skärmen (bild 1). De ljusa delarna motsvarar områden där ljusvågornas toppar kombineras konstruktivt, medan de mörka ränderna är områden där topparna i vissa vågor kombineras med andra tråg, avbryter varandra.

"Först förstod vi inte varför vi såg det här, eftersom vårt system är mekaniskt, inte optisk, "Säger Tanaka.

Teamet beräknade sedan att varje enkel tvingad harmonisk oscillator med en långsamt varierande frekvens också kommer att bete sig analogt med ljus. När drivkraften appliceras med rätt frekvens, systemet resonerar och svängningsamplituden ökar - precis som när två ljusvågor konstruktivt stör.

"Harmoniska oscillatorer är viktiga i många typer av fysik, såsom plasmafysik och acceleratorfysik, säger Tanaka, som hoppas att resultaten kommer att vara användbara inom dessa områden och andra.