Tres físicos de RIKEN1 han descubierto una conexión matemática inesperada entre un tipo especial de movimiento mecánico y el comportamiento de la luz. Este extraño vínculo podría ayudar a los físicos a diseñar futuros aceleradores de partículas, así como a investigar gases ionizados calientes conocidos como plasmas.

Hitoshi Tanaka y sus colegas del Centro RIKEN SPring-8 hicieron el descubrimiento por accidente. Estaban diseñando una fuente de radiación de sincrotrón de próxima generación en la que haces de electrones viajan alrededor de un gran circuito circular. emitiendo rayos X mientras viajan. Las cavidades aceleradoras aceleran periódicamente los rayos para mantenerlos a una energía constante.

El equipo quería encontrar una manera de absorber de manera segura y eficiente la energía del rayo mediante la expansión espacial de los rayos. "Tenemos un agudo, haz de alta intensidad que puede derretir una cámara de vacío de acero, "Dice Tanaka.

El equipo modeló matemáticamente los electrones que circulan en la fuente de radiación de sincrotrón. Una parte central del modelo construido es equivalente a un oscilador armónico forzado, con una frecuencia natural de oscilación que varía lentamente. Un ejemplo simple de un oscilador armónico forzado es un niño en un columpio, ser empujado por un padre en el momento justo para aumentar la amplitud del swing. En el caso de Tanaka, el electrodo proporciona esta fuerza impulsora, haciendo que los electrones vibren ligeramente mientras viajan.

El equipo resolvió la ecuación para encontrar la frecuencia óptima necesaria para aumentar la amplitud de oscilación de los electrones para difundir los haces de electrones. Asombrosamente, la solución parecía similar a la que describía un sistema totalmente diferente:la forma en que las ondas de luz interfieren cuando un rayo de luz pasa a través de una rendija estrecha. Cuando una pantalla se coloca lejos de la hendidura, Aparece un patrón de rayas brillantes y oscuras en la pantalla (Fig. 1). Las partes brillantes corresponden a regiones donde los picos de las ondas de luz se combinan constructivamente, mientras que las franjas oscuras son áreas donde los picos de algunas olas se combinan con los valles de otras, anulándose unos a otros.

"Al principio no entendíamos por qué veíamos esto, porque nuestro sistema es mecánico, no óptico, "Dice Tanaka.

Luego, el equipo calculó que cualquier oscilador armónico forzado simple con una frecuencia que varía lentamente también se comportará de manera análoga a la luz. Cuando la fuerza impulsora se aplica con la frecuencia correcta, el sistema resuena y la amplitud de la oscilación aumenta, como cuando dos ondas de luz interfieren constructivamente.

"Los osciladores armónicos son importantes en muchos tipos de física, como la física del plasma y la física del acelerador, "dice Tanaka, quien espera que los resultados sean de utilidad en estos y otros campos.