Due raggi di luce delle torce non saranno influenzati l'uno dall'altro quando si incrociano. Questo è diverso per impulsi laser molto intensi che si incontrano in un "materiale non lineare" adatto:qui, i raggi possono essere deviati e possono essere creati nuovi raggi di colore diverso in un processo chiamato miscelazione delle onde. L'osservazione di tali fenomeni di miscelazione delle onde consente ai ricercatori di trarre conclusioni sulle transizioni elettroniche all'interno del materiale non lineare che sarebbero altrimenti invisibili. I ricercatori di MBI e DESY hanno ora osservato come un raggio di raggi X interagisce con un raggio laser, aprendo la strada a studi selettivi per atomi di processi ultraveloci in futuro. Credito:Anne Riemann, Forschungsverbund Berlin e.V.
A differenza delle spade laser immaginarie, i raggi laser reali non interagiscono tra loro quando si incrociano, a meno che i raggi non si incontrino all'interno di un materiale adatto che consenta un'interazione non lineare tra luce e materia. In tal caso, la miscelazione delle onde può dare origine a raggi con colori e direzioni cambiati.
I processi di miscelazione delle onde tra diversi fasci di luce sono una pietra miliare del campo dell'ottica non lineare, che si è affermato saldamente da quando i laser sono diventati ampiamente disponibili. All'interno di un materiale adatto come particolari cristalli, due raggi laser possono "sentire la presenza l'uno dell'altro". In questo processo, energia e quantità di moto possono essere scambiate, dando origine a raggi laser aggiuntivi che emergono dalla zona di interazione in direzioni diverse e con frequenze diverse, visti nella gamma spettrale visibile come colori diversi. Questi effetti sono comunemente usati per progettare e realizzare nuove sorgenti di luce laser.
L'analisi dei fasci di luce emergenti nei fenomeni di miscelazione delle onde fornisce informazioni sulla natura del materiale in cui si verifica il processo di miscelazione delle onde. Tale spettroscopia basata sulla miscelazione delle onde consente ai ricercatori di comprendere le complessità della struttura elettronica di un campione e come la luce può eccitare e interagire con il materiale. Finora, tuttavia, questi approcci sono stati raramente utilizzati al di fuori della gamma spettrale del visibile o dell'infrarosso.
Un team di ricercatori del Max Born Institute (MBI), di Berlino, e del DESY, di Amburgo, ha osservato un nuovo tipo di processo di miscelazione delle onde che coinvolge i raggi X morbidi. Sovrapponendo impulsi ultracorti di raggi X morbidi e radiazioni infrarosse in un singolo cristallo di fluoruro di litio (LiF), hanno visto come l'energia da due fotoni a infrarossi veniva trasferita da o verso il fotone a raggi X, cambiando il "colore" dei raggi X in un cosiddetto processo non lineare di terzo ordine.
Non solo hanno osservato per la prima volta questo particolare processo con i raggi X, ma sono stati anche in grado di mapparne l'efficienza quando si cambia il colore dei raggi X in entrata. Si scopre che i segnali di miscelazione sono rilevabili solo quando il processo coinvolge un elettrone del guscio interno di un atomo di litio che viene promosso in uno stato in cui questo elettrone è strettamente legato al posto vacante che ha lasciato, uno stato noto come eccitone. Inoltre, il confronto con la teoria mostra che una transizione altrimenti "otticamente vietata" di un elettrone del guscio interno contribuisce al processo di miscelazione delle onde.
Attraverso l'analisi di questo processo di miscelazione risonante a quattro onde, i ricercatori hanno ottenuto un quadro dettagliato di dove viaggia l'elettrone otticamente eccitato nella sua brevissima vita. "Solo se l'elettrone eccitato è localizzato nelle immediate vicinanze del buco che ha lasciato, osserviamo il segnale di miscelazione a quattro onde", afferma Robin Engel, un Ph.D. studente coinvolto nel lavoro, "e poiché abbiamo utilizzato un colore specifico dei raggi X, sappiamo che questo buco è molto vicino al nucleo atomico dell'atomo di litio".
A causa della capacità dei raggi X di eccitare selettivamente gli elettroni del guscio interno alle diverse specie atomiche in un materiale, l'approccio dimostrato consente ai ricercatori di tracciare gli elettroni che si muovono in molecole o solidi dopo che sono stati stimolati da un impulso laser ultraveloce. Questi processi, gli elettroni che si muovono verso atomi diversi dopo essere stati eccitati dalla luce, sono passaggi cruciali nelle reazioni fotochimiche o in applicazioni come la raccolta della luce, ad esempio tramite il fotovoltaico o la generazione diretta di combustibile solare.
"Poiché il nostro approccio di spettroscopia di miscelazione delle onde può essere ridimensionato a energie fotoniche molto più elevate ai laser a raggi X, molti atomi diversi della tavola periodica possono essere eccitati selettivamente. In questo modo ci aspettiamo che sarà possibile tracciare la presenza transitoria di elettroni in molti atomi diversi di un materiale più complesso, fornendo nuove informazioni su questi importanti processi", spiega Daniel Schick, ricercatore presso MBI.
La ricerca è stata pubblicata su Science Advances . + Esplora ulteriormente
