I raggi X interagiscono debolmente con la materia. Questa è la loro più grande forza per molte applicazioni, ma anche una debolezza fondamentale per gli altri. In particolare i campi dell'ottica non lineare e dell'ottica quantistica, pilastri per applicazioni scientifiche e tecnologiche fondamentali con luce, richiedono una forte interazione. Così, vengono intrapresi sforzi in varie direzioni per intensificare l'interazione luce-materia nel regime dei raggi X. Uno dei percorsi verso questo obiettivo impiega l'uso dei cosiddetti processi risonanti. L'assorbimento dei raggi X alle risonanze atomiche (a lunghezze d'onda che corrispondono esattamente all'energia richiesta per spingere l'atomo in uno stato eccitato) può essere ordini di grandezza maggiori della risonanza fuori campo. Un nuovo studio condotto dallo scienziato di DESY Ralf Röhlsberger mostra ora un nuovo modo per migliorare e controllare l'interazione dei raggi X con i sistemi atomici risonanti.

Il livello ultimo nell'interazione luce-materia in questo senso sarebbe la formazione di uno stato composto di luce e materia. In questo caso l'energia di eccitazione viene periodicamente emessa e riassorbita più volte all'interno del campione. "Queste "oscillazioni rabbiose" si manifestano come un caratteristico schema temporale nella luce emessa da fuoriuscite dal sistema, " spiega Röhlsberger. Nel campo dei raggi X, le risonanze più forti di tutta la materia si trovano nei nuclei dei cosiddetti isotopi di Mössbauer (dal nome di Rudolf Mössbauer, Premio Nobel per la Fisica 1961). Offrono l'ulteriore vantaggio che la loro durata può essere di diverse dieci nanosecondi (un nanosecondo è un miliardesimo di secondo) in modo che la loro dinamica temporale possa essere comodamente osservata. Ricercatori del DESY di Amburgo, l'Istituto Max-Planck di Fisica Nucleare di Heidelberg, e l'impianto europeo per le radiazioni di sincrotrone di Grenoble hanno ora osservato per la prima volta le oscillazioni di Rabi nel regime di raggi X, utilizzando una certa forma di ferro elementare (l'isotopo Mössbauer 57Fe).

"Normalmente, Le oscillazioni di Rabi sono osservate nelle cavità ottiche, " dice il primo autore Johann Haber di DESY. Questi sono essenzialmente due specchi tra i quali la luce rimbalza avanti e indietro. Se un atomo viene posto tra di loro, l'atomo può assorbire e riemettere quella radiazione, poiché gli specchi la rifletteranno su di loro, questo processo può ripetersi per qualche tempo, portando a Rabi-oscillazioni. "Però, questa non è un'opzione per la fisica dei raggi X, poiché non esistono specchi per i raggi X come quelli per la luce visibile, " spiega Haber. "Mentre è possibile fabbricare cavità a raggi X e osservare con esse una serie di fenomeni ottici quantistici, il forte limite di accoppiamento è chiaramente irraggiungibile in tali sistemi. Il motivo è semplicemente che la durata della risonanza della cavità nuda è così breve, (nell'intervallo di femtosecondi,; cioè quadrilionesimi di secondo, ) che un fotone emesso nella cavità piuttosto lascia la cavità invece di interagire di nuovo con i nuclei."

Quindi, era necessario un approccio diverso. Il trucco è stato la preparazione di due cavità accoppiate, ognuno dei quali conteneva un sottile strato di nuclei 57Fe. "Questo cambia drasticamente la situazione, " dice Röhlsberger. "Se uno degli strati emette un fotone, questo fotone fuoriesce quasi istantaneamente dalla cavità. Ma è probabile che non si sposti nella cavità adiacente, dove verrebbe assorbito dal secondo strato di nuclei 57Fe. All'emissione, questo processo si ripete. In un modo, il fotone è ora scambiato non tra la modalità cavità e un atomo, ma tra due insiemi di atomi."

Questo trucco apre nuove prospettive per osservare gli effetti ottici non lineari nel regime dei raggi X. "Un interessante percorso di ricerca sarebbe quello di esaminare se si verificano non linearità quando più di un solo fotone entra nel sistema, ", afferma la coautrice Adriana Palffy del Max Planck Institute for Nuclear Physics. "Questo è stato osservato con radiazioni ottiche, e potrebbe essere ripetuto nella gamma dei raggi X, per esempio al nuovo XFEL europeo, il laser a raggi X a elettroni liberi di Amburgo." Inoltre, queste cavità accoppiate potrebbero essere impiegate per generare stati non classici dei raggi X che potrebbero facilitare la realizzazione di tecniche a raggi X completamente nuove, come l'imaging o la spettroscopia con i cosiddetti stati fotonici entangled.