Ilustración simbólica de la interacción de dos láminas delgadas de núcleos de Mössbauer con un haz de rayos X que sufre múltiples reflejos en un sistema de dos cavidades acopladas. El fuerte acoplamiento radiativo de los núcleos en las cavidades conduce a un intercambio periódico de energía de excitación entre los dos conjuntos nucleares, las llamadas oscilaciones Rabi. Crédito:DESY, Ralf Röhlsberger / Boris Kumicak
Los rayos X interactúan débilmente con la materia. Esta es su mayor fortaleza para muchas aplicaciones, pero también una debilidad fundamental para los demás. En particular, los campos de la óptica no lineal y la óptica cuántica, pilares tanto de la ciencia fundamental como de las aplicaciones tecnológicas con luz, requieren una fuerte interacción. Por lo tanto, Se realizan esfuerzos en varias direcciones para intensificar la interacción luz-materia en el régimen de rayos X. Una de las rutas hacia este objetivo emplea el uso de los llamados procesos resonantes. La absorción de rayos X en resonancias atómicas (en longitudes de onda que coinciden exactamente con la energía requerida para empujar el átomo en un estado excitado) puede ser órdenes de magnitud mayor que la de fuera de resonancia. Un nuevo estudio dirigido por el científico de DESY Ralf Röhlsberger ahora muestra una nueva forma de mejorar y controlar la interacción de los rayos X con los sistemas atómicos resonantes.
El último nivel en la interacción luz-materia a este respecto sería la formación de un estado compuesto de luz y materia. En este caso, la energía de excitación se emite periódicamente y se reabsorbe varias veces dentro de la muestra. "Estas" oscilaciones Rabi "se manifiestan como un patrón temporal característico en la luz emitida por las fugas del sistema, "explica Röhlsberger. En la gama de rayos X, las resonancias más fuertes de toda la materia se encuentran en los núcleos de los llamados isótopos de Mössbauer (nombrados en honor a Rudolf Mössbauer, Premio Nobel de Física 1961). Ofrecen la ventaja adicional de que su vida útil puede ser de varios diez nanosegundos (un nanosegundo es una mil millonésima de segundo), de modo que su dinámica temporal se puede observar cómodamente. Investigadores de DESY en Hamburgo, el Instituto Max-Planck de Física Nuclear en Heidelberg, y la instalación europea de radiación sincrotrón en Grenoble ahora han observado oscilaciones de Rabi en el régimen de rayos X por primera vez, utilizando una cierta forma de hierro elemental (el isótopo 57Fe de Mössbauer).
"Normalmente, Se observan oscilaciones Rabi en cavidades ópticas, ", dice el primer autor Johann Haber de DESY. Estos son esencialmente dos espejos entre los cuales la luz rebota hacia adelante y hacia atrás. Si se coloca un átomo entre ellos, el átomo puede absorber y reemitir esa radiación, ya que los espejos la reflejarán hacia ellos, este proceso puede repetirse durante algún tiempo, conduciendo a oscilaciones Rabi. "Sin embargo, esta no es una opción para la física de rayos X, como no existen espejos para rayos X como los hay para luz visible, "explica Haber." Si bien es posible fabricar cavidades de rayos X y observar una serie de fenómenos ópticos cuánticos con ellas, el límite de acoplamiento fuerte está claramente fuera de alcance en tales sistemas. La razón es simplemente que la vida útil de la resonancia de la cavidad desnuda es tan corta, (en el rango de femtosegundos,; es decir, mil millonésimas de segundo, ) que un fotón emitido en la cavidad deja la cavidad en lugar de interactuar con los núcleos nuevamente ".
Medida de la evolución temporal de la intensidad reflejada por las dos cavidades acopladas. La señal exhibe una modulación sinusoidal, evidenciando el intercambio periódico de energía de excitación entre los dos conjuntos nucleares. Esta es la firma típica de las oscilaciones de Rabi. Puede describirse con bastante precisión dentro del modelo óptico cuántico (QO) desarrollado para este sistema. Crédito:DESY
Por eso, se necesitaba un enfoque diferente. El truco fue la preparación de dos cavidades acopladas, cada uno de los cuales contenía una fina capa de núcleos de 57Fe. "Esto cambia la situación drásticamente, "dice Röhlsberger." Si una de las capas emite un fotón, este fotón escapa casi instantáneamente de la cavidad. Pero es tan probable que no se mueva a la cavidad adyacente, donde sería absorbido por la segunda capa de núcleos de 57Fe. Al emitir, este proceso se repite. En cierto sentido, el fotón ahora no se intercambia entre el modo de cavidad y un átomo, pero entre dos conjuntos de átomos ".
Este truco abre nuevas perspectivas para observar efectos ópticos no lineales en el régimen de rayos X. "Una interesante vía de investigación sería examinar si las no linealidades ocurren cuando más de un fotón ingresa al sistema, "dice la coautora Adriana Palffy del Instituto Max Planck de Física Nuclear." Esto se ha observado con radiación óptica, y podría repetirse en el rango de rayos X, por ejemplo en el nuevo XFEL europeo, el láser de rayos X de electrones libres en Hamburgo ". estas cavidades acopladas podrían emplearse para generar estados no clásicos de rayos X que podrían facilitar la realización de técnicas de rayos X completamente nuevas, como imágenes o espectroscopía con los llamados estados fotónicos entrelazados.
