Natuurkundigen van de Universiteit van Nebraska-Lincoln zien een alledaags fenomeen in een nieuw licht.

Door laserlicht te focussen op een helderheid die een miljard keer groter is dan het oppervlak van de zon - het helderste licht dat ooit op aarde is geproduceerd - hebben de natuurkundigen veranderingen waargenomen in een zichtbevorderende interactie tussen licht en materie.

Die veranderingen leverden unieke röntgenpulsen op met het potentieel om beelden met een extreem hoge resolutie te genereren die nuttig zijn voor medische, Engineering, wetenschappelijke en veiligheidsdoeleinden. De bevindingen van het team, gedetailleerd 26 juni in het journaal Natuurfotonica , zou ook moeten helpen bij het informeren van toekomstige experimenten met lasers met hoge intensiteit.

Donald Umstadter en collega's van het Extreme Light Laboratory van de universiteit vuurden hun Diocles-laser af op met helium gesuspendeerde elektronen om te meten hoe de fotonen van de laser - zowel deeltjes als lichtgolven - verstrooid door een enkel elektron nadat ze erop waren geraakt.

Onder typische omstandigheden, zoals wanneer licht van een gloeilamp of de zon op een oppervlak valt, dat verstrooiingsfenomeen maakt zicht mogelijk. Maar een elektron - het negatief geladen deeltje dat aanwezig is in materievormende atomen - verstrooit normaal gesproken slechts één foton van licht per keer. En het gemiddelde elektron geniet zelfs zelden van dat voorrecht, Umstadter zei, maar eens in de vier maanden geslagen worden.

Hoewel eerdere op laser gebaseerde experimenten een paar fotonen van hetzelfde elektron hadden verstrooid, Het team van Umstadter slaagde erin bijna 1 te verstrooien. 000 fotonen tegelijk. Bij de ultrahoge intensiteiten geproduceerd door de laser, zowel de fotonen als het elektron gedroegen zich heel anders dan normaal.

"Als we dit onvoorstelbaar heldere licht hebben, het blijkt dat de verstrooiing - dit fundamentele ding dat alles zichtbaar maakt - fundamenteel verandert in de natuur, " zei Umstadter, de Leland en Dorothy Olson hoogleraar natuurkunde en astronomie.

Een foton van standaardlicht zal typisch verstrooien onder dezelfde hoek en energie die het bevatte voordat het het elektron raakte, hoe fel het licht ook is. Maar het team van Umstadter ontdekte dat, boven een bepaalde drempel, de helderheid van de laser veranderde de hoek, vorm en golflengte van dat verstrooide licht.

"Dus het is alsof dingen er anders uitzien als je de helderheid van het licht verhoogt, wat je normaal niet zou meemaken, " zei Umstadter. "(Een object) wordt normaal gesproken helderder, maar anders, het ziet er net zo uit als met een lager lichtniveau. Maar hier, het licht verandert het uiterlijk van (het object). Het licht komt uit verschillende hoeken, met verschillende kleuren, afhankelijk van hoe helder het is."

Dat fenomeen kwam deels voort uit een verandering in het elektron, die zijn gebruikelijke op-en-neer beweging verliet ten gunste van een vliegpatroon van een 8-figuur. Zoals het onder normale omstandigheden zou het elektron stootte ook zijn eigen foton uit, die werd losgeslagen door de energie van de binnenkomende fotonen. Maar de onderzoekers ontdekten dat het uitgestoten foton de collectieve energie van alle verstrooide fotonen absorbeerde, waardoor het de energie en golflengte van een röntgenstraal krijgt.

De unieke eigenschappen van die röntgenfoto kunnen op meerdere manieren worden toegepast, zei Umstadter. Zijn extreme maar smalle bereik van energie, gecombineerd met zijn buitengewoon korte duur, zou kunnen helpen bij het genereren van driedimensionale afbeeldingen op nanoscopische schaal, terwijl de dosis die nodig is om ze te produceren, wordt verminderd.

Die kwaliteiten kunnen het kwalificeren om te jagen op tumoren of microfracturen die conventionele röntgenstralen ontwijken, de moleculaire landschappen van nanoscopische materialen in kaart brengen die nu hun weg vinden naar de halfgeleidertechnologie, of het detecteren van steeds geavanceerdere bedreigingen bij veiligheidscontroles. Atoom- en moleculaire fysici zouden de röntgenstraling ook kunnen gebruiken als een vorm van ultrasnelle camera om snapshots van elektronenbeweging of chemische reacties vast te leggen.

Als natuurkundigen zelf, Umstadter en zijn collega's waren ook enthousiast over de wetenschappelijke implicaties van hun experiment. Door een relatie te leggen tussen de helderheid van de laser en de eigenschappen van het verstrooide licht, het team bevestigde een recent voorgestelde methode voor het meten van de piekintensiteit van een laser. De studie ondersteunde ook verschillende al lang bestaande hypothesen dat technologische beperkingen natuurkundigen ervan hadden weerhouden om rechtstreeks te testen.

"Er waren veel theorieën, voor vele jaren, die nog nooit in het laboratorium waren getest, omdat we nooit een lichtbron hadden die helder genoeg was om het experiment uit te voeren, " Umstadter zei. "Er waren verschillende voorspellingen voor wat er zou gebeuren, en we hebben enkele van die voorspellingen bevestigd.

"Het maakt allemaal deel uit van wat we elektrodynamica noemen. Er zijn leerboeken over klassieke elektrodynamica die alle natuurkundigen leren. Dus dit, in zekere zin, was echt een leerboekexperiment."