I fisici dell'Università del Nebraska-Lincoln stanno vedendo un fenomeno quotidiano sotto una nuova luce.

Focalizzando la luce laser su una luminosità un miliardo di volte maggiore della superficie del sole - la luce più brillante mai prodotta sulla Terra - i fisici hanno osservato cambiamenti nell'interazione tra luce e materia che consente la visione.

Tali modifiche hanno prodotto impulsi a raggi X unici con il potenziale di generare immagini ad altissima risoluzione utili per scopi medici, ingegneria, scopi scientifici e di sicurezza. I risultati della squadra, dettagliato il 26 giugno sulla rivista Fotonica della natura , dovrebbe anche aiutare a informare futuri esperimenti che coinvolgono laser ad alta intensità.

Donald Umstadter e i colleghi dell'Extreme Light Laboratory dell'università hanno sparato con il laser Diocles agli elettroni sospesi nell'elio per misurare come i fotoni del laser - considerati sia particelle che onde di luce - si sono diffusi da un singolo elettrone dopo averlo colpito.

In condizioni tipiche, come quando la luce di una lampadina o il sole colpisce una superficie, quel fenomeno di dispersione rende possibile la visione. Ma un elettrone - la particella carica negativa presente negli atomi che formano la materia - normalmente disperde un solo fotone di luce alla volta. E l'elettrone medio raramente gode anche di questo privilegio, Umstadter ha detto, essere colpito solo una volta ogni quattro mesi circa.

Sebbene i precedenti esperimenti basati sul laser avessero disperso alcuni fotoni dallo stesso elettrone, La squadra di Umstadter è riuscita a disperdere quasi 1, 000 fotoni alla volta. Alle altissime intensità prodotte dal laser, sia i fotoni che l'elettrone si sono comportati in modo molto diverso dal solito.

"Quando abbiamo questa luce inimmaginabilmente brillante, si scopre che la dispersione - questa cosa fondamentale che rende tutto visibile - cambia radicalmente in natura, " disse Umstadter, il professore di fisica e astronomia Leland e Dorothy Olson.

Un fotone della luce standard si disperde tipicamente con lo stesso angolo ed energia che aveva prima di colpire l'elettrone, indipendentemente da quanto brillante possa essere la sua luce. Eppure la squadra di Umstadter ha scoperto che, al di sopra di una certa soglia, la luminosità del laser ha alterato l'angolo, forma e lunghezza d'onda di quella luce diffusa.

"Quindi è come se le cose apparissero diversamente quando alzi la luminosità della luce, che non è qualcosa che normalmente sperimenteresti, " Ha detto Umstadter. "(Un oggetto) normalmente diventa più luminoso, ma altrimenti, sembra proprio come ha fatto con un livello di luce più basso. Ma qui, la luce sta cambiando aspetto (dell'oggetto). La luce si spegne da diverse angolazioni, con colori diversi, a seconda di quanto è luminoso."

Quel fenomeno derivava in parte da un cambiamento nell'elettrone, che abbandonò il suo solito movimento su e giù in favore di uno schema di volo a forma di 8. Come in condizioni normali, l'elettrone ha anche espulso il proprio fotone, che è stato scosso dall'energia dei fotoni in arrivo. Ma i ricercatori hanno scoperto che il fotone espulso ha assorbito l'energia collettiva di tutti i fotoni sparsi, conferendogli l'energia e la lunghezza d'onda di un raggio X.

Le proprietà uniche di quella radiografia possono essere applicate in più modi, disse Umstadter. La sua gamma di energia estrema ma ristretta, unita alla sua durata straordinariamente breve, potrebbe aiutare a generare immagini tridimensionali su scala nanoscopica riducendo la dose necessaria per produrle.

Queste qualità potrebbero qualificarlo per cacciare tumori o microfratture che sfuggono ai raggi X convenzionali, mappare i paesaggi molecolari dei materiali nanoscopici che ora trovano la loro strada nella tecnologia dei semiconduttori, o rilevare minacce sempre più sofisticate ai controlli di sicurezza. I fisici atomici e molecolari potrebbero anche impiegare i raggi X come una forma di fotocamera ultraveloce per catturare istantanee del movimento degli elettroni o delle reazioni chimiche.

Come fisici stessi, Umstadter ei suoi colleghi hanno anche espresso entusiasmo per le implicazioni scientifiche del loro esperimento. Stabilendo una relazione tra la luminosità del laser e le proprietà della sua luce diffusa, il team ha confermato un metodo recentemente proposto per misurare l'intensità di picco di un laser. Lo studio ha anche supportato diverse ipotesi di vecchia data secondo cui i limiti tecnologici avevano impedito ai fisici di eseguire test diretti.

"C'erano molte teorie, per molti anni, che non era mai stato testato in laboratorio, perché non abbiamo mai avuto una fonte di luce abbastanza brillante per fare effettivamente l'esperimento, " Ha detto Umstadter. "C'erano varie previsioni per quello che sarebbe successo, e abbiamo confermato alcune di queste previsioni.

"Fa tutto parte di ciò che chiamiamo elettrodinamica. Ci sono libri di testo sull'elettrodinamica classica che tutti i fisici imparano. Quindi questo, in un senso, è stato davvero un esperimento da manuale."