Simulazione al computer dell'interazione elettrone-luce. La luce laser (modello d'onda rosso-blu) interagisce con la funzione d'onda dell'elettrone (sfera allungata) che passa nelle vicinanze. Questa configurazione sperimentale unica assicura che l'elettrone scambi energia con il laser in modo risonante, ottenendo le condizioni precise dell'effetto Cherenkov. Credito:Dahan et al.
Mentre i ricercatori hanno condotto innumerevoli studi esplorando l'interazione tra onde luminose e sistemi di elettroni legati, le interazioni quantistiche tra elettroni liberi e luce sono diventate solo di recente un argomento di interesse all'interno della comunità dei fisici. L'osservazione delle interazioni libere elettrone-luce è stata facilitata dalla scoperta di una tecnica nota come microscopia elettronica in campo vicino indotta da fotoni (PINEM).
Sebbene alcuni esperimenti che utilizzano metodi PINEM abbiano prodotto risultati interessanti, le interazioni luce-elettrone libero osservate finora sono abbastanza deboli. Ciò è dovuto principalmente al fatto che i metodi PINEM raccolgono misurazioni localizzate e in campo vicino senza affrontare il disallineamento di velocità tra elettroni liberi e luce, che è noto per limitare la forza della loro interazione.
I ricercatori del Technion-Israel Institute of Technology hanno recentemente osservato una forte interazione tra onde di elettroni liberi e onde luminose, utilizzando un microscopio elettronico ibrido hanno sviluppato. La loro osservazione dell'adattamento di fase dell'elettrone coerente, che è anche un tipo di interazione Cherenkov inversa, dimostra come la natura delle funzioni d'onda degli elettroni possa alterare le interazioni elettrone-luce.
"Questo è stato un lungo viaggio per me personalmente, come si potrebbe dire che sono 7 anni che sto portando avanti questo esperimento, "Ido Kaminer, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Ho iniziato a lavorare sull'effetto Cherenkov 7 anni fa, nel periodo in cui mi sono trasferito al MIT per un postdoc. Già a quel tempo, l'effetto Cherenkov ha avuto 80 anni di storia dalla sua prima osservazione nel 1934 (e un premio Nobel nel 1958)."
L'effetto Cherenkov, prende il nome da Pavel Alekseevic Cherenkov, il fisico che per primo lo osservò, è un fenomeno che si verifica quando una particella che trasporta una carica elettrica viaggia attraverso un mezzo trasparente (ad es. acqua o aria), che può portare all'emissione di radiazioni elettromagnetiche. Se la particella viaggia più veloce della velocità della luce in un mezzo, il suo passaggio attraverso il mezzo trasparente provoca un breve lampo di luce, soprannominata luce Cherenkov.
Quando Kaminer iniziò a studiare l'effetto Cherenkov, nel 2013, era considerato un effetto classico; il lavoro di altri fisici, compreso quello di Vitaly Ginzburg e Lev Landau, aveva suggerito che la meccanica quantistica non aveva alcuna conseguenza su questo fenomeno. Le scoperte teoriche che Kaminer raccolse negli anni successivi furono quindi intriganti e sorprendenti, poiché hanno suggerito che l'effetto Cherenkov contiene effettivamente fenomeni derivanti dalla natura quantistica delle particelle cariche.
Illustrazione dell'interazione elettrone-laser che crea il pettine di energia degli elettroni, in cui un singolo elettrone si divide coerentemente in un ampio spettro di energie, rappresentato dai colori dell'arcobaleno. La luce laser (rossa) deve essere accoppiata con un angolo preciso affinché si verifichi l'interazione forte, risultando nell'elettrone (illustrato dalla luce bianca) che assorbe ed emette simultaneamente centinaia di fotoni dal laser. Di conseguenza, l'elettrone si trasforma in un pettine energetico di energie discrete separate da quanti di energia fotonica (illustrato dall'arcobaleno). Credito:Dahan et al.
"I miei risultati sono stati piuttosto controversi all'inizio, ma in un paio d'anni, altri scienziati hanno iniziato a trovare caratteristiche teoriche simili in effetti correlati, come l'effetto Smith-Purcell, " Kaminer ha detto. "Questi risultati hanno aumentato l'interesse generale nella costruzione di un esperimento per testare queste previsioni teoriche".
Negli ultimi anni, i fisici hanno delineato tre tipi di fenomeni quantistici che possono essere teoricamente osservati negli esperimenti relativi all'effetto Cherenkov. Il recente studio condotto da due studenti che fanno parte del laboratorio di Kaminer al Technion, Raphael Dahan e Saar Nehemia, dimostra sperimentalmente uno di questi effetti per la prima volta. Gli altri due effetti devono ancora essere confermati negli esperimenti e rimangono previsioni teoriche.
"Penso che sia abbastanza sorprendente vedere i progressi che abbiamo fatto come comunità da una prospettiva storica, " ha detto Kaminer. "La configurazione sperimentale che abbiamo costruito al Technion per questo esperimento, che si basa su un microscopio elettronico a trasmissione ultraveloce, era impossibile da immaginare ai tempi di Ginzburg e Landau."
Kaminer e i suoi studenti hanno condotto i loro esperimenti utilizzando un microscopio elettronico ibrido che incorpora impulsi laser realizzati su misura al Technion. Questo tipo di microscopio, che è ideale per eseguire esperimenti di tipo Cherenkov, è diventato sempre più avanzato negli ultimi 10 anni, soprattutto attraverso il lavoro di Ahmed Zewail e di altri rinomati scienziati in tutto il mondo.
Quando un elettrone è illuminato, la sua interazione con le onde luminose è tipicamente molto debole. La ragione principale di ciò è che gli elettroni e le onde luminose si muovono a velocità completamente diverse (cioè, l'elettrone si muove sempre più lentamente della velocità della luce). Questa discrepanza di velocità alla fine impedisce all'interazione tra elettroni e luce di diventare più forte.
Nei loro esperimenti, Kaminer e i suoi studenti usarono un prisma (cioè, un oggetto trasparente) per rallentare le onde luminose in prossimità di un elettrone. Abbinando con precisione l'angolo con cui l'elettrone è stato illuminato, erano in grado di rallentare la velocità delle onde luminose fino al punto in cui corrispondeva a quella dell'elettrone. Questa corrispondenza nella loro velocità ha prodotto un effetto noto come corrispondenza di fase.
Un'immagine al microscopio ottico del prisma che i ricercatori hanno utilizzato nell'esperimento. Questo prisma da 0,5 mm è stato inserito nel nostro microscopio elettronico a trasmissione ultraveloce fissandolo prima a una superficie di 3 mm (sfondo più scuro) con un foro quadrato (al centro dell'immagine). Il processo di allineamento del prisma era estremamente preciso per garantire che gli elettroni che passavano nelle vicinanze interagissero in modo risonante con la luce nel prisma. Questi elettroni passano poi attraverso il foro quadrato al centro della superficie. Credito:Dahan et al.
"Il nostro approccio ha consentito l'osservazione di un'interazione molto forte e di altri comportamenti quantistici coerenti di elettroni liberi mai visti prima, " Kaminer ha spiegato. "L'idea di abbinare la velocità della luce e la velocità delle particelle è esattamente l'effetto Cherenkov. In altre parole, la condizione per l'interazione forte è la stessa della condizione necessaria per l'effetto Cherenkov ed è anche ciò che gli scienziati in altri campi chiamano corrispondenza di fase. Il fatto che questi diversi concetti possano essere combinati in questo modo è davvero bello, secondo me."
La dimostrazione dei ricercatori della corrispondenza di fase tra un'onda elettronica e un'onda luminosa rivela un nuovo tipo di non linearità ottica, dove gli elettroni liberi relativistici assumono il ruolo di solidi cristallini mentre interagiscono con la luce. Inoltre, gli esperimenti del team hanno portato alla creazione di un pettine di energia a elettroni liberi; un sistema di grande interesse per la ricerca scientifica degli attosecondi.
La scienza degli attosecondi è un'area dell'ottica che esamina specificamente i processi che si verificano entro pochi attosecondi (cioè, 10 -18 secondi), come la ionizzazione di elettroni da un atomo o da una molecola. Finora, la maggior parte degli esperimenti in questo campo sono stati condotti utilizzando impulsi laser ad attosecondi, ma i risultati raccolti da Dahan, Nehemia e altri studenti nel laboratorio di Kaminer confermano la fattibilità dell'uso anche di impulsi di elettroni ad attosecondi.
"Da un punto di vista fondamentale, il nostro esperimento dimostra che la natura ondulatoria quantistica di un elettrone libero altera la sua radiazione stimolata, " ha detto Kaminer. "Questo è qualcosa che è stato dibattuto per molti anni ed è ancora oggetto di intense indagini".
Il recente studio apre nuove affascinanti possibilità per lo studio dell'effetto Cherenkov da una prospettiva quantistica. Nei loro studi successivi, i ricercatori studieranno ulteriormente l'effetto che hanno osservato, esaminando anche altre questioni fondamentali che rimangono senza risposta.
Ad esempio, mentre tutti i precedenti esperimenti sull'effetto Cherenkov hanno raccolto osservazioni di onde luminose in tre dimensioni, i teorici hanno anche ipotizzato l'esistenza di un effetto Cherenkov bidimensionale. Nelle loro ricerche future, Kaminer e i suoi colleghi cercheranno di osservare sperimentalmente questo fenomeno unico.
"La natura quantistica della luce è solitamente trascurata per le interazioni con gli elettroni liberi, ma si spera che la forte interazione che abbiamo raggiunto qui possa cambiarlo, "Ha detto Kaminer. "Tali effetti quantistici consentono anche una tecnologia importante. Abbiamo iniziato a studiare acceleratori di elettroni su scala chip nella nostra configurazione (chiamati ACHIP, cioè acceleratori su chip). La natura quantistica degli elettroni solleva domande molto interessanti su tali dispositivi e, si spera, aiuterà a migliorarli".
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