Un'inaspettata connessione matematica tra un tipo speciale di movimento meccanico e il comportamento della luce è stata scoperta da tre fisici RIKEN1. Questo strano collegamento potrebbe aiutare i fisici a progettare futuri acceleratori di particelle e a studiare i gas ionizzati caldi noti come plasmi.

Hitoshi Tanaka e i suoi colleghi del RIKEN SPring-8 Center hanno fatto la scoperta per caso. Stavano progettando una sorgente di radiazione di sincrotrone di nuova generazione in cui fasci di elettroni viaggiano attorno a un grande circuito circolare, emettendo raggi X durante il viaggio. Le cavità acceleranti accelerano periodicamente i raggi per mantenerli a un'energia costante.

Il team voleva trovare un modo per assorbire in modo sicuro ed efficiente l'energia del raggio espandendo i raggi nello spazio. "Abbiamo un forte, fascio ad alta intensità in grado di fondere una camera a vuoto in acciaio, " dice Tanaka.

Il team ha modellato matematicamente gli elettroni che circolano nella sorgente di radiazione di sincrotrone. Una parte fondamentale del modello costruito è equivalente a un oscillatore armonico forzato, con una frequenza naturale di oscillazione che varia lentamente. Un semplice esempio di oscillatore armonico forzato è un bambino su un'altalena, essere spinto da un genitore al momento giusto per aumentare l'ampiezza dell'oscillazione. Nel caso di Tanaka, l'elettrodo fornisce questa forza motrice, facendo vibrare leggermente gli elettroni durante il viaggio.

Il team ha risolto l'equazione per trovare la frequenza ottimale necessaria per aumentare l'ampiezza di oscillazione degli elettroni per la diffusione dei fasci di elettroni. Sorprendentemente, la soluzione sembrava simile a quella che descrive un sistema completamente diverso:il modo in cui le onde luminose interferiscono quando un raggio di luce passa attraverso una stretta fessura. Quando uno schermo è posizionato lontano dalla fessura, sullo schermo appare un motivo di strisce chiare e scure (Fig. 1). Le parti luminose corrispondono a regioni in cui i picchi delle onde luminose si combinano in modo costruttivo, mentre le strisce scure sono aree in cui i picchi di alcune onde si combinano con gli avvallamenti di altre, annullandosi a vicenda.

"All'inizio non capivamo perché lo stavamo vedendo, perché il nostro sistema è meccanico, non ottico, " dice Tanaka.

Il team ha quindi calcolato che qualsiasi semplice oscillatore armonico forzato con una frequenza che varia lentamente si comporterà in modo analogo alla luce. Quando la forza motrice viene applicata con la giusta frequenza, il sistema risuona e l'ampiezza dell'oscillazione aumenta, proprio come quando due onde luminose interferiscono in modo costruttivo.

"Gli oscillatori armonici sono importanti in molti tipi di fisica, come la fisica del plasma e la fisica degli acceleratori, "dice Tanaka, che spera che i risultati saranno utili in questi campi e in altri.