Een onverwacht wiskundig verband tussen een speciaal soort mechanische beweging en het gedrag van licht is ontdekt door drie RIKEN-fysici1. Deze vreemde link zou natuurkundigen kunnen helpen bij het ontwerpen van toekomstige deeltjesversnellers en bij het onderzoeken van hete geïoniseerde gassen die bekend staan ​​als plasma's.

Hitoshi Tanaka en zijn collega's van het RIKEN SPring-8 Center deden de ontdekking per ongeluk. Ze ontwierpen een synchrotronstralingsbron van de volgende generatie waarin elektronenbundels rond een groot cirkelvormig circuit reizen, röntgenstralen uitzenden terwijl ze reizen. Versnelde holtes versnellen periodiek de bundels om ze op een constante energie te houden.

Het team wilde een manier vinden om de energie van de bundel veilig en efficiënt te absorberen door de bundels ruimtelijk uit te breiden. "We hebben een scherpe straal met hoge intensiteit die een stalen vacuümkamer kan smelten, ' zegt Tanaka.

Het team heeft wiskundig de elektronen gemodelleerd die in de synchrotronstralingsbron circuleren. Een kernonderdeel van het gebouwde model is gelijk aan een geforceerde harmonische oscillator, met een natuurlijke trillingsfrequentie die langzaam varieert. Een eenvoudig voorbeeld van een geforceerde harmonische oscillator is een kind op een schommel, op het juiste moment door een ouder worden geduwd om de amplitude van de schommel te vergroten. In het geval van Tanaka, de elektrode zorgt voor deze drijvende kracht, waardoor de elektronen tijdens het rondreizen licht gaan trillen.

Het team loste de vergelijking op om de optimale frequentie te vinden die nodig is om de oscillatie-amplitude van de elektronen te vergroten voor het verspreiden van elektronenstralen. Verrassend genoeg, de oplossing leek op een oplossing die een totaal ander systeem beschrijft:de manier waarop lichtgolven interfereren wanneer een lichtstraal door een smalle spleet gaat. Wanneer een scherm ver van de spleet wordt geplaatst, er verschijnt een patroon van heldere en donkere strepen op het scherm (Fig. 1). De heldere delen komen overeen met gebieden waar de toppen van de lichtgolven constructief combineren, terwijl de donkere strepen gebieden zijn waar de toppen van sommige golven zich combineren met de dalen van andere, elkaar opheffen.

"Eerst begrepen we niet waarom we dit zagen, omdat ons systeem mechanisch is, niet optisch, ' zegt Tanaka.

Het team berekende vervolgens dat elke eenvoudige geforceerde harmonische oscillator met een langzaam variërende frequentie zich ook analoog aan licht zal gedragen. Wanneer de drijvende kracht met de juiste frequentie wordt toegepast, het systeem resoneert en de amplitude van de oscillatie neemt toe - net zoals wanneer twee lichtgolven constructief interfereren.

"Harmonische oscillatoren zijn belangrijk in veel soorten natuurkunde, zoals plasmafysica en versnellerfysica, " zegt Tanaka, die hoopt dat de resultaten nuttig zullen zijn op deze en andere gebieden.