Científicos rompen una regla fundamental de la física al generar rayos X de alta energía

Científicos de la Universidad de Tecnología de Viena han logrado desafiar una regla de larga data en la física de láseres al generar rayos X con energías mucho más altas de lo que la teoría convencional predice. Este sorprendente descubrimiento revela cómo dos electrones trabajando juntos pueden superar un límite previamente aceptado, lo que abre nuevas posibilidades para la investigación cuántica.

El hallazgo se enmarca en una colaboración entre la TU Wien y la Universidad de California en San Diego, y se basa en investigaciones que ayudaron a establecer el campo de la física de attosegundos. Las técnicas láser desarrolladas en la TU Wien en la década de 1990 contribuyeron a avances que fueron reconocidos con el Premio Nobel de Física 2023.

Durante décadas, los científicos han comprendido que dirigir luz láser a ciertos átomos puede causar la emisión de pulsos extremadamente cortos de luz de alta frecuencia, incluidos los rayos X. Sin embargo, la teoría establecida predice una energía máxima para estas emisiones en función de las propiedades del láser entrante. Más allá de este límite, conocido como el corte de energía, la producción de rayos X se vuelve extremadamente débil.

El nuevo experimento demuestra que este límite familiar puede ser superado cuando dos electrones interactúan de una manera particular. Los hallazgos fueron publicados en Nature Photonics.

Cómo los láseres generan pulsos de rayos X poderosos

"El mecanismo detrás de los pulsos cortos de rayos X se conoce desde hace mucho tiempo", explica el profesor Tenio Popmintchev del Instituto de Fotónica de la TU Wien. "El láser arranca un solo electrón del átomo. El electrón es luego acelerado en el campo eléctrico del láser hasta que finalmente colisiona de nuevo con el átomo. La energía que pierde en el proceso se emite en forma de luz."

Durante este proceso, el campo eléctrico del láser impulsa al electrón liberado lejos de su átomo padre antes de traerlo de vuelta. Cuando el electrón regresa y libera su energía, genera luz a frecuencias mucho más altas que las del haz láser original.

El laureado con el Nobel Ferenc Krausz utilizó este mecanismo en experimentos pioneros durante la década de 1990. Tenio Popmintchev y sus colegas ahora trabajan en el mismo instituto de la TU Wien donde Krausz realizó su investigación anterior, pero su último experimento ha llevado el proceso más allá de sus límites previamente comprendidos.

"Se puede demostrar que cuando el electrón regresa a su átomo, genera una gama completa de frecuencias diferentes con una intensidad aproximadamente igual", dice Dimitar Popmintchev, postdoctorado en el equipo de Tenio Popmintchev en la TU Wien. "Pero hay un límite superior. Las frecuencias por encima de este límite son mucho más débiles; simplemente no es posible superar una cierta frecuencia máxima."

Esta predicción describe el proceso convencional que involucra un solo electrón. Los investigadores querían averiguar si el resultado cambiaría si participaran dos electrones en su lugar.

Dos electrones rompen el límite esperado de energía de rayos X

Para investigar, el equipo utilizó pulsos de láser ultravioleta (UV) intensos para interactuar con átomos de helio. A diferencia del proceso habitual que involucra un electrón, el experimento permitió que ambos electrones del helio fueran liberados sucesivamente.

El primer electrón fue liberado y acelerado por el campo del láser, seguido por el segundo. Aunque los electrones fueron liberados en momentos diferentes, su comportamiento permaneció conectado a través de correlaciones cuánticas. Esta relación significa que sus movimientos no pueden ser tratados como completamente independientes.

Al controlar cuidadosamente los pulsos de láser ultravioleta, los investigadores pudieron organizar el regreso simultáneo de ambos electrones al átomo.

"Usando pulsos de conducción UV, podemos organizar que ambos electrones regresen al átomo exactamente al mismo tiempo", dice Dimitar Popmintchev. "La energía de dos electrones se libera de una vez. Y cuando hay más energía disponible, también se puede generar un único fotón de rayos X de mayor energía y frecuencia más alta."

Esta liberación coordinada de energía permite producir fotones de rayos X que superan el corte de energía convencional. En lugar de depender de la energía de un solo electrón que regresa, el proceso se basa en la energía combinada de dos electrones interactuantes.

Una señal de rayos X inesperada confirma el descubrimiento

Los investigadores encontraron evidencia experimental clara de que el proceso de dos electrones estaba produciendo rayos X inusualmente energéticos.

Al examinar el espectro de la radiación coherente emitida, identificaron una segunda región de emisión sostenida a energías de fotón mucho más altas de lo que la teoría estándar predice. Esta región adicional, conocida como un plateau, era más débil que la emisión primaria, pero se extendía mucho más allá del rango de energía previamente establecido.

La señal inesperada apareció solo cuando los investigadores utilizaron helio. Experimentos similares que involucraron argón y neón no produjeron el mismo comportamiento en sus electrones exteriores.

Esta diferencia proporciona evidencia importante para la explicación propuesta. El helio tiene correlaciones particularmente fuertes entre sus dos electrones, lo que les permite interactuar de maneras que hacen posible la liberación simultánea de energía. Los electrones exteriores de argón y neón no demostraron el mismo efecto bajo las condiciones experimentales.

Una nueva ventana hacia la física cuántica

Más allá de producir rayos X de mayor energía, el descubrimiento podría ofrecer a los científicos una poderosa nueva forma de investigar cómo interactúan los electrones dentro de átomos y otros materiales.

La inusual emisión coherente de rayos X podría servir como un sensor espectroscópico altamente sensible para correlaciones electrón-electrón. Al estudiar la forma del espectro emitido, su energía máxima y cómo cambia con la polarización de la luz láser, los investigadores podrían obtener información sobre el comportamiento de los electrones interactuantes en escalas de tiempo extraordinariamente cortas.

Estas interacciones ocurren en attosegundos, siendo un attosegundo igual a una milmillonésima de milmillonésima de segundo. Observar procesos a tales velocidades es esencial para comprender cómo se mueven los electrones y cómo se influyen mutuamente en sistemas cuánticos.

Eventualmente, el mismo principio podría extenderse más allá de átomos individuales de helio a moléculas y materiales sólidos en los que los electrones interactúan fuertemente.

La técnica detrás del descubrimiento, conocida como generación de altas armónicas, originalmente ayudó a hacer posible la física de attosegundos. Ahora, los investigadores están descubriendo que también puede revelar el comportamiento complejo de múltiples partículas cuánticas interactivas.

Estos conocimientos podrían contribuir a la investigación en computación cuántica y ayudar a los científicos a comprender y diseñar nanomateriales avanzados con propiedades cuidadosamente controladas.