Dos haces de luz de linternas no se verán influenciados entre sí cuando se crucen. Esto es diferente para los pulsos de láser muy intensos que se encuentran en un "material no lineal" adecuado:aquí, los rayos se pueden desviar y se pueden crear nuevos rayos de diferentes colores en un proceso llamado mezcla de ondas. La observación de tales fenómenos de mezcla de ondas permite a los investigadores sacar conclusiones sobre las transiciones electrónicas dentro del material no lineal que, de otro modo, serían invisibles. Investigadores de MBI y DESY ahora han observado cómo un haz de rayos X interactúa con un haz láser, allanando el camino hacia estudios selectivos de átomos de procesos ultrarrápidos en el futuro. Crédito:Anne Riemann, Forschungsverbund Berlin e.V.
A diferencia de las espadas láser ficticias, los rayos láser reales no interactúan entre sí cuando se cruzan, a menos que los rayos se encuentren dentro de un material adecuado que permita una interacción luz-materia no lineal. En tal caso, la mezcla de ondas puede dar lugar a rayos con colores y direcciones diferentes.
Los procesos de mezcla de ondas entre diferentes haces de luz son una piedra angular del campo de la óptica no lineal, que se ha establecido firmemente desde que los láseres están ampliamente disponibles. Dentro de un material adecuado, como cristales particulares, dos rayos láser pueden "sentir la presencia del otro". En este proceso, la energía y el momento pueden intercambiarse, dando lugar a rayos láser adicionales que emergen de la zona de interacción en diferentes direcciones y con diferentes frecuencias, vistos en el rango espectral visible como diferentes colores. Estos efectos se utilizan comúnmente para diseñar y realizar nuevas fuentes de luz láser.
El análisis de los haces de luz emergentes en los fenómenos de mezcla de ondas proporciona información sobre la naturaleza del material en el que se produce el proceso de mezcla de ondas. Esta espectroscopia basada en la mezcla de ondas permite a los investigadores comprender las complejidades de la estructura electrónica de una muestra y cómo la luz puede excitar e interactuar con el material. Sin embargo, hasta ahora, estos enfoques apenas se han utilizado fuera del rango espectral visible o infrarrojo.
Un equipo de investigadores del Instituto Max Born (MBI), Berlín, y DESY, Hamburgo, ha observado un nuevo tipo de proceso de mezcla de ondas que involucra rayos X blandos. Superponiendo pulsos ultracortos de rayos X suaves y radiación infrarroja en un solo cristal de fluoruro de litio (LiF), vieron cómo la energía de dos fotones infrarrojos se transfirió hacia o desde el fotón de rayos X, cambiando el "color" de rayos X en un llamado proceso no lineal de tercer orden.
No solo observaron este proceso particular con rayos X por primera vez, sino que también pudieron trazar un mapa de su eficiencia al cambiar el color de los rayos X entrantes. Resulta que las señales de mezcla solo son detectables cuando el proceso involucra un electrón de la capa interna de un átomo de litio que se promueve a un estado en el que este electrón está estrechamente unido a la vacante que dejó atrás, un estado conocido como excitón. Además, la comparación con la teoría muestra que una transición "ópticamente prohibida" de un electrón de la capa interna contribuye al proceso de mezcla de ondas.
A través del análisis de este proceso de mezcla resonante de cuatro ondas, los investigadores obtuvieron una imagen detallada de dónde viaja el electrón ópticamente excitado en su muy corta vida útil. "Solo si el electrón excitado se localiza en las inmediaciones del agujero que ha dejado, observamos la señal de mezcla de cuatro ondas", dice Robin Engel, Ph.D. estudiante involucrado en el trabajo, "y debido a que hemos utilizado un color específico de rayos X, sabemos que este agujero está muy cerca del núcleo atómico del átomo de litio".
Debido a la capacidad de los rayos X para excitar selectivamente los electrones de la capa interna en las diferentes especies atómicas de un material, el enfoque demostrado permite a los investigadores rastrear los electrones que se mueven en moléculas o sólidos después de haber sido estimulados por un pulso láser ultrarrápido. Estos procesos, los electrones que se mueven hacia diferentes átomos después de haber sido excitados por la luz, son pasos cruciales en las reacciones o aplicaciones fotoquímicas, como la recolección de luz, por ejemplo, a través de la energía fotovoltaica o la generación directa de combustible solar.
"Como nuestro enfoque de espectroscopia de mezcla de ondas se puede escalar a energías de fotones mucho más altas en los láseres de rayos X, se pueden excitar selectivamente muchos átomos diferentes de la tabla periódica. De esta manera, esperamos que sea posible rastrear la presencia transitoria de electrones en muchos átomos diferentes de un material más complejo, lo que brinda una nueva perspectiva de estos importantes procesos", explica Daniel Schick, investigador de MBI.
La investigación fue publicada en Science Advances . Los investigadores logran una compresión espectral ultravioleta extrema mediante la mezcla de cuatro ondas
