La figura muestra las emisiones de fotones de 57 Átomos de Fe. El gráfico muestra que a medida que aumenta el número de átomos de 1 a 5 a 20, el tiempo hasta que aumenta la primera emisión, mientras que la energía de los fotones aumenta. Crédito:RIKEN
Una colaboración de científicos de cinco de las fuentes de rayos X más avanzadas del mundo en Europa, Japón y EE. UU. ha logrado verificar una predicción básica del comportamiento mecánico-cuántico de los sistemas resonantes. En el estudio publicado en Física de la naturaleza , pudieron seguir cuidadosamente, una radiografía a la vez, la desintegración de los núcleos en un cristal perfecto después de la excitación con un destello de rayos X de la fuente pulsada más fuerte del mundo, el láser de electrones libres de rayos X SACLA en Harima, Japón. Observaron una reducción drástica del tiempo necesario para emitir la primera radiografía a medida que aumentaba el número de radiografías. Este comportamiento está de acuerdo con un límite de un sistema superradiante, como predijo Robert H. Dicke en 1954.
Dicke predijo que, de la misma manera que una gran colección de campanas actuará de manera diferente a una sola campana que se toca, un grupo de átomos emitirá luz en respuesta a la excitación a una velocidad diferente, más rápida, que un solo átomo. Él predijo un estado "superradiante", dónde, cuando se colocan grandes cantidades de fotones o cuantos en un sistema con muchos átomos, la desintegración se vuelve mucho más rápida que la de un solo átomo aislado. Tomando la analogía de las campanas, estaba sugiriendo que si tienen una gran cantidad de campanas que emocionan juntos, pueden sonar fuerte, pero el sonido se apaga mucho más rápidamente que el suave desvanecimiento de una sola campana. Su enfoque incluyó efectos cuánticos, prediciendo que la desintegración más rápida ocurrió cuando el número de cuantos era la mitad del número de átomos.
Desde entonces se ha verificado el concepto de superradiancia, y, Por supuesto, es una piedra de toque en el campo de la óptica cuántica. Sin embargo, Dicke también predijo que se produciría un cambio muy fuerte en la tasa de desintegración incluso cuando el número de cuantos en el sistema fuera mucho menor que el número de átomos en el sistema. Esto es lo que se investigó en los experimentos recientes en SACLA y la Instalación Europea de Radiación Sincrotrón (ESRF) en Francia.
a, Trazos de alcance de los detectores de fotodiodos de avalancha (APD) después de un pulso de 44 fotones y los ajustes utilizados para analizar la distribución. B, La distribución de eventos multifotónicos medidos en los detectores APD, en comparación con un modelo que incorpora una fuente coherente con pocos modos (M =2,2) y una fuente incoherente (límite M grande). Crédito:RIKEN
El nuevo trabajo reemplazó los cuantos de baja energía imaginados por Dicke con rayos X de alta energía, permitiendo a los investigadores seguir la desintegración del sistema un cuanto, es decir, un rayo X, a la vez. Sin embargo, obtener fuertes pulsos de rayos X es mucho más difícil que para la luz de baja energía, y requiere el uso de las fuentes más modernas, láseres de rayos X de electrones libres. Estas fuentes solo están disponibles recientemente, y de los pocos que operan en el mundo, sólo uno, SACLA, en el Centro RIKEN SPring-8 en Japón, logra la alta energía requerida. Utilizando esta fuente, un equipo internacional de investigadores de la ESRF en Francia, SPring-8 en Japón, DESY en Alemania, el APS en los EE. UU., y el Instituto Kurchatov en Rusia, pudieron seguir con precisión la desintegración de hasta 68 fotones de rayos X. Observaron que la emisión acelerada del primer fotón estaba en excelente acuerdo con la predicción de Dicke. La desintegración de un solo fotón en las mismas condiciones experimentales se estudió en la ESRF.
Según Alfred Baron del Centro RIKEN SPring-8, "A través de este trabajo, pudimos demostrar que el trabajo de Dicke era correcto, y también pudieron ofrecer una imagen alternativa de las propiedades de descomposición, basado en un enfoque estadístico. Esto será valioso para comprender el trabajo futuro ".
El aumento de la tasa de desintegración inicial para las transiciones de N a N-1 estados excitados revelados (a) por la desintegración acelerada del primer fotón de N detectado, PN 1 (t) (b) por las razones PN 1 (t) / P1 1 (t) de estos datos a la desintegración de fotón único P11 (t) (mostrado en (c)), y (d) por las tasas de aceleración estimadas (PN 1 / P1 1 ) | t → 0. Las líneas continuas en (a, b) son los cálculos basados en el enfoque estadístico. La línea continua en (d) es el ajuste de potencia. Crédito:RIKEN
