Simulación por computadora de la interacción electrón-luz. La luz láser (patrón de onda rojo-azul) interactúa con la función de onda del electrón (esfera alargada) que pasa cerca. Esta configuración experimental única asegura que el electrón intercambie energía con el láser de manera resonante, logrando las condiciones precisas del efecto Cherenkov. Crédito:Dahan et al.
Si bien los investigadores han realizado innumerables estudios que exploran la interacción entre las ondas de luz y los sistemas de electrones ligados, las interacciones cuánticas entre los electrones libres y la luz se han convertido recientemente en un tema de interés dentro de la comunidad de la física. La observación de las interacciones libres entre electrones y luz se vio facilitada por el descubrimiento de una técnica conocida como microscopía electrónica de campo cercano inducida por fotones (PINEM).
Aunque algunos experimentos que utilizan métodos PINEM han arrojado resultados interesantes, las interacciones de luz de electrones libres observadas hasta ahora son bastante débiles. Esto se debe principalmente a que los métodos PINEM recopilan mediciones localizadas y de campo cercano sin abordar el desajuste de velocidad entre los electrones libres y la luz. que se sabe que limita la fuerza de su interacción.
Investigadores del Technion-Israel Institute of Technology han observado recientemente una fuerte interacción entre las ondas de electrones libres y las ondas de luz, utilizando un microscopio electrónico híbrido que desarrollaron. Su observación del emparejamiento coherente de fases de electrones, que también es un tipo de interacción inversa-Cherenkov, demuestra cómo la naturaleza de las funciones de onda de los electrones puede alterar las interacciones electrón-luz.
"Este ha sido un largo viaje para mí personalmente, como se podría decir que llevo 7 años realizando este experimento, "Ido Kaminer, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo Phys.org. "Empecé a trabajar en el efecto Cherenkov hace 7 años, en la época en que me mudé al MIT para un posdoctorado. Ya en ese momento, el efecto Cherenkov tuvo 80 años de historia desde su primera observación en 1934 (y un premio Nobel en 1958) ".
El efecto Cherenkov, llamado así por Pavel Alekseevic Cherenkov, el físico que lo observó por primera vez, es un fenómeno que ocurre cuando una partícula que lleva una carga eléctrica viaja a través de un medio transparente (p. ej., agua o aire), que puede dar lugar a la emisión de radiación electromagnética. Si la partícula viaja más rápido que la velocidad de la luz en un medio, su paso a través del medio transparente provoca un breve destello de luz, apodado Cherenkov light.
Cuando Kaminer comenzó a estudiar el efecto Cherenkov, en 2013, se consideró un efecto clásico; el trabajo de otros físicos, incluido el de Vitaly Ginzburg y Lev Landau, había sugerido que la mecánica cuántica no tenía ninguna consecuencia para este fenómeno. Los hallazgos teóricos que Kaminer recopiló durante los próximos años fueron, por lo tanto, intrigantes y sorprendentes. ya que sugirieron que el efecto Cherenkov en realidad contiene fenómenos que surgen de la naturaleza cuántica de las partículas cargadas.
Ilustración de la interacción electrón-láser que crea el peine de energía de electrones, en el que un solo electrón se divide coherentemente en un amplio espectro de energías, representado por los colores del arco iris. La luz láser (roja) tiene que estar acoplada en un ángulo preciso para que ocurra la interacción fuerte, dando como resultado que el electrón (ilustrado por luz blanca) absorba y emita simultáneamente cientos de fotones del láser. Como resultado, el electrón se transforma en un peine de energía de energías discretas separadas por cuantos de energía fotónica (ilustrado por el arco iris). Crédito:Dahan et al.
"Mis resultados fueron bastante controvertidos al principio, pero durante un par de años, otros científicos comenzaron a encontrar características teóricas similares en efectos relacionados, como el efecto Smith-Purcell, Kaminer dijo. "Estos hallazgos aumentaron el interés general en la construcción de un experimento para probar estas predicciones teóricas".
En los ultimos años, Los físicos han delineado tres tipos de fenómenos cuánticos que teóricamente pueden observarse en experimentos relacionados con el efecto Cherenkov. El estudio reciente dirigido por dos estudiantes que forman parte del laboratorio de Kaminer en Technion, Raphael Dahan y Saar Nehemia, demuestra experimentalmente uno de estos efectos por primera vez. Los otros dos efectos aún no se han confirmado en experimentos y siguen siendo predicciones teóricas.
"Creo que es bastante sorprendente ver el progreso que hemos logrado como comunidad desde una perspectiva histórica, "Kaminer dijo." La configuración experimental que construimos en Technion para este experimento, que se basa en un microscopio electrónico de transmisión ultrarrápida, era imposible de imaginar en los días de Ginzburg y Landau ".
Kaminer y sus estudiantes realizaron sus experimentos utilizando un microscopio electrónico híbrido que incorpora pulsos de láser hechos a medida en Technion. Este tipo de microscopio, que es ideal para realizar experimentos de tipo Cherenkov, se ha vuelto cada vez más avanzado en los últimos 10 años, especialmente a través del trabajo de Ahmed Zewail y otros científicos de renombre en todo el mundo.
Cuando se ilumina un electrón, su interacción con las ondas de luz suele ser muy débil. La razón principal de esto es que los electrones y las ondas de luz se mueven a velocidades completamente diferentes (es decir, el electrón siempre se mueve más lento que la velocidad de la luz). Este desajuste de velocidad finalmente evita que la interacción entre los electrones y la luz se vuelva más fuerte.
En sus experimentos, Kaminer y sus estudiantes usaron un prisma (es decir, un objeto transparente) para ralentizar las ondas de luz en la proximidad de un electrón. Al hacer coincidir con precisión el ángulo en el que se iluminó el electrón, pudieron ralentizar la velocidad de las ondas de luz hasta el punto en que coincidía con la del electrón. Este emparejamiento en su velocidad produjo un efecto conocido como emparejamiento de fase.
Una imagen de microscopio óptico del prisma que los investigadores utilizaron en el experimento. Este prisma de 0,5 mm se insertó en nuestro microscopio electrónico de transmisión ultrarrápida fijándolo primero a una superficie de 3 mm (fondo más oscuro) con un orificio cuadrado (en el centro de la imagen). El proceso de alineación del prisma fue extremadamente preciso para garantizar que los electrones que pasan cerca interactúen de manera resonante con la luz del prisma. Estos electrones luego pasan a través del agujero cuadrado en el centro de la superficie. Crédito:Dahan et al.
"Nuestro enfoque permitió la observación de una interacción muy fuerte y otros comportamientos cuánticos coherentes de electrones libres que nunca antes se habían visto, "Kaminer explicó." La idea de igualar la velocidad de la luz y la velocidad de las partículas es exactamente el efecto Cherenkov. En otras palabras, la condición para la interacción fuerte es la misma que la condición necesaria para el efecto Cherenkov y también es lo que los científicos de otros campos llaman coincidencia de fases. El hecho de que estos diferentes conceptos se puedan combinar de esta manera es realmente hermoso, en mi opinión."
La demostración de los investigadores de la coincidencia de fases entre una onda de electrones y una onda de luz revela un nuevo tipo de no linealidad óptica, donde los electrones libres relativistas asumen el papel de sólidos cristalinos cuando interactúan con la luz. Además, los experimentos del equipo llevaron a la creación de un peine de energía de electrones libres; un sistema que es de gran interés para la investigación científica de attosegundos.
La ciencia de attosegundos es un área de la óptica que examina específicamente los procesos que ocurren en unos pocos attosegundos (es decir, 10 -18 segundos), como la ionización de electrones de un átomo o molécula. Hasta aquí, la mayoría de los experimentos en este campo se han realizado utilizando pulsos de láser de attosegundos, pero los hallazgos reunidos por Dahan y Nehemia y otros estudiantes en el laboratorio de Kaminer confirman la viabilidad de usar también pulsos de electrones de attosegundos.
"Desde una perspectiva fundamental, nuestro experimento demuestra que la naturaleza de onda cuántica de un electrón libre altera su radiación estimulada, Kaminer dijo. "Esto es algo que se ha debatido durante muchos años y todavía está bajo una intensa investigación".
El estudio reciente abre nuevas y fascinantes posibilidades para el estudio del efecto Cherenkov desde una perspectiva cuántica. En sus próximos estudios, los investigadores seguirán investigando el efecto que observaron, al mismo tiempo que examina otras preguntas fundamentales que quedan sin respuesta.
Por ejemplo, mientras que todos los experimentos anteriores que investigaron el efecto Cherenkov recopilaron observaciones de ondas de luz en tres dimensiones, Los teóricos también han planteado la hipótesis de la existencia de un efecto Cherenkov bidimensional. En su investigación futura, Kaminer y sus colegas intentarán observar este fenómeno único de forma experimental.
"La naturaleza cuántica de la luz generalmente se descuida para las interacciones con electrones libres, pero la fuerte interacción que logramos aquí puede cambiar eso, "Kaminer dijo." Estos efectos cuánticos también permiten una tecnología importante. Comenzamos a investigar aceleradores de electrones a escala de chip en nuestra configuración (llamada ACHIP, es decir, aceleradores en chip). La naturaleza cuántica de los electrones plantea preguntas muy interesantes sobre estos dispositivos y, con suerte, ayudará a mejorarlos ".
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