Röntgenstralen hebben een zwakke wisselwerking met materie. Dit is hun grootste kracht voor veel toepassingen, maar ook een fundamentele zwakte voor anderen. Met name op het gebied van niet-lineaire optica en kwantumoptica, pijlers voor zowel fundamentele wetenschap als technologische toepassingen met licht, vereisen een sterke interactie. Dus, inspanningen in verschillende richtingen worden ondernomen om de interactie tussen licht en materie in het röntgenregime te intensiveren. Een van de routes naar dit doel maakt gebruik van zogenaamde resonantieprocessen. Röntgenabsorptie bij atomaire resonanties (bij golflengten die exact overeenkomen met de energie die nodig is om het atoom in een aangeslagen toestand te duwen) kan ordes van grootte groter zijn dan off-resonantie. Een nieuwe studie onder leiding van DESY-wetenschapper Ralf Röhlsberger toont nu een nieuwe manier om de interactie van röntgenstralen met resonante atomaire systemen te verbeteren en te beheersen.

Het ultieme niveau in de interactie tussen licht en materie in dit opzicht zou de vorming van een samengestelde toestand van licht en materie zijn. In dit geval wordt de excitatie-energie periodiek uitgezonden en meerdere keren opnieuw geabsorbeerd in het monster. "Deze '' Rabi-oscillaties'' manifesteren zich als een karakteristiek tijdpatroon in het licht dat wordt uitgezonden door uit het systeem te lekken, " legt Röhlsberger uit. In het röntgenbereik, de sterkste resonanties van alle materie worden gevonden in de kernen van de zogenaamde Mössbauer-isotopen (genoemd naar Rudolf Mössbauer, Nobelprijs voor de natuurkunde 1961). Ze bieden het extra voordeel dat hun levensduur enkele tien nanoseconden lang kan zijn (een nanoseconde is een miljardste van een seconde), zodat hun temporele dynamiek gemakkelijk kan worden waargenomen. Onderzoekers van DESY in Hamburg, het Max-Planck-Instituut voor Kernfysica in Heidelberg, en de Europese Synchrotron-stralingsfaciliteit in Grenoble hebben nu voor het eerst Rabi-oscillaties in het röntgenregime waargenomen, met behulp van een bepaalde vorm van elementair ijzer (de Mössbauer isotoop 57Fe).

"Normaal gesproken, Rabi-oscillaties worden waargenomen in optische holtes, " zegt eerste auteur Johann Haber van DESY. Dit zijn in wezen twee spiegels waartussen licht heen en weer kaatst. Als er een atoom tussen wordt geplaatst, het atoom kan die straling absorberen en opnieuw uitstralen - omdat de spiegels het naar hen terugkaatsen, dit proces kan zich enige tijd herhalen, wat leidt tot Rabi-oscillaties. "Echter, dit is geen optie voor röntgenfysica, aangezien er voor röntgenstralen niet zulke spiegels zijn als voor zichtbaar licht, ", legt Haber uit. "Hoewel het mogelijk is om röntgenholten te maken en er een aantal kwantumoptische verschijnselen mee te observeren, de sterke koppelingsgrens is duidelijk buiten bereik in dergelijke systemen. De reden is simpelweg dat de resonantielevensduur van de kale holte zo kort is, (in het bereik van femtoseconden,; dat betekent quadriljoensten van een seconde, ) dat een foton dat in de holte wordt uitgezonden, liever de holte verlaat in plaats van opnieuw in wisselwerking te treden met de kernen."

Vandaar, een andere aanpak was nodig. De truc was de voorbereiding van twee gekoppelde caviteiten, die elk een dunne laag van 57Fe-kernen bevatten. "Dit verandert de situatie drastisch, " zegt Röhlsberger. "Als een van de lagen een foton uitzendt, dit foton ontsnapt vrijwel onmiddellijk uit de holte. Maar het is net zo waarschijnlijk dat het niet in de aangrenzende holte terechtkomt, waar het zou worden geabsorbeerd door de tweede laag van 57Fe-kernen. Bij het uitzenden, dit proces herhaalt zich. Op een manier, het foton wordt nu niet uitgewisseld tussen de holtemodus en een atoom, maar tussen twee ensembles van atomen."

Deze truc opent nieuwe perspectieven om niet-lineaire optische effecten in het röntgenregime te observeren. "Een interessante onderzoeksrichting zou zijn om te onderzoeken of niet-lineariteiten optreden wanneer meer dan één foton het systeem binnenkomt, " zegt co-auteur Adriana Palffy van het Max Planck Instituut voor Nucleaire Fysica. "Dit is waargenomen met optische straling, en kan worden herhaald in het röntgenbereik, bijvoorbeeld bij de nieuwe Europese XFEL, de vrije-elektronenröntgenlaser in Hamburg." deze gekoppelde holtes zouden kunnen worden gebruikt om niet-klassieke toestanden van röntgenstralen te genereren die de realisatie van geheel nieuwe röntgentechnieken zouden kunnen vergemakkelijken, zoals beeldvorming of spectroscopie met zogenaamde verstrengelde fotonische toestanden.