Η ταχύτητα είναι καθοριστική. Όταν ένα φωτόνιο ακτίνων-Χ διεγείρει ένα άτομο ή ιόν και κάνει ένα ηλεκτρόνιο πυρήνα να μεταπηδήσει σε υψηλότερο ενεργειακό επίπεδο, ανοίγει ένα εξαιρετικά σύντομο παράθυρο ευκαιρίας. Για λίγα μόλις femtoseconds, πριν το κενό στη στάθμη ενέργειας ξαναγεμίσει, υπάρχει η δυνατότητα ένα δεύτερο φωτόνιο να απορροφηθεί από άλλο ηλεκτρόνιο πυρήνα, δημιουργώντας μια διπλά διεγερμένη κατάσταση.
Χρησιμοποιώντας 5.000 έντονες λάμψεις ακτίνων-Χ το δευτερόλεπτο από το European XFEL, μια διεθνής ομάδα ερευνητών μελέτησε τέτοιες διπλές καταστάσεις πυρηνικής οπής σε ιδιαίτερα ιονισμένο κρυπτό, με φωτόνια σχεδόν ίδιου «χρώματος».
Πειράματα
Οι επιστήμονες του European XFEL και του Max Planck Institute for Nuclear Physics (MPIK), μαζί με συνεργάτες από έξι χώρες, χρησιμοποίησαν ιδιαίτερα φορτισμένα ιόντα κρυπτού Kr26+, τα οποία διαθέτουν μόνο δέκα ηλεκτρόνια.
«Αυτό μας έδωσε καθαρή εικόνα της διαδικασίας, απομονώνοντας ανεπιθύμητες αλληλεπιδράσεις», εξηγεί ο Thomas Baumann.
Το πλεονέκτημα των συγκεκριμένων ιόντων είναι ότι και τα δύο στάδια της διαδοχικής διέγερσης απαιτούν σχεδόν την ίδια ενεργειακή τιμή φωτονίου. Έτσι χρησιμοποιήθηκε μονοχρωματική δέσμη ακτίνων-Χ με εύρος μόλις 0,5%.
«Αυτή η ταύτιση στις ενεργειακές μετατοπίσεις οφείλεται σε σχετικιστικά φαινόμενα», αναφέρει ο Moto Togawa, πρώτος συγγραφέας της δημοσίευσης. Οι σχετικιστικές διορθώσεις μετακινούν τα επίπεδα των ηλεκτρονίων πυρήνα, επιτρέποντας τη «τέλεια διπλή συντονισμένη διέγερση».
Εκατονταπλάσια αύξηση στην απορρόφηση φωτονίων
Η διπλά διεγερμένη κατάσταση διασπάται μέσα σε λίγα femtoseconds μέσω autoionization, παράγοντας ακόμη υψηλότερο φορτίο στο ιόν. Σε σχέση με τη συμβατική φωτοϊονισμό, η διπλή συντονισμένη διέγερση οδηγεί σε πάνω από 100 φορές μεγαλύτερη απορρόφηση φωτονίων, αυξάνοντας θεαματικά την αποδοτικότητα.
Σύμφωνα με τον José Crespo López-Urrutia, «το φαινόμενο αυτό εμβαθύνει την κατανόηση της αλληλεπίδρασης φωτός και ύλης υπό ακραίες συνθήκες και ανοίγει δρόμους για υψηλής ακρίβειας μετρήσεις ακτίνων-Χ».
Προοπτικές για μελλοντικά πειράματα
Οι ερευνητές πιστεύουν ότι το νέο σχήμα διέγερσης μπορεί να αξιοποιηθεί σε χρονοεξαρτώμενα πειράματα με τη λειτουργία δύο χρωμάτων του SASE3 στο European XFEL. Επίσης, βλέπουν προοπτικές επέκτασης σε πειράματα με σκληρές ακτίνες-Χ χρησιμοποιώντας XFELOs, τα νέα X-ray Free-Electron Laser Oscillators που αναπτύσσονται στην ευρωπαϊκή εγκατάσταση.
Περισσότερες πληροφορίες: Moto Togawa et al, Ενισχυμένος Ιονισμός Συντονισμού Μονόχρωμου-Δύο Φωτονίων σε Υψηλά Φορτισμένα Ιόντα με Εφέ Λεπτής Δομής, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/mhks-ktxw
Πληροφορίες περιοδικού: Επιστολές Φυσικής Ανασκόπησης
Παρέχεται από το European XFEL