Os raios X interagem fracamente com a matéria. Esta é a sua maior força para muitas aplicações, mas também uma fraqueza fundamental para os outros. Em particular, os campos da óptica não linear e óptica quântica, pilares para a ciência fundamental e aplicações tecnológicas com luz, requerem uma forte interação. Assim, esforços em várias direções são empreendidos para intensificar a interação luz-matéria no regime de raios-X. Um dos caminhos para esse objetivo é o uso dos chamados processos ressonantes. A absorção de raios X em ressonâncias atômicas (em comprimentos de onda que correspondem exatamente à energia necessária para empurrar o átomo em um estado excitado) pode ser ordens de magnitude maiores do que a ressonância fora. Um novo estudo liderado pelo cientista DESY Ralf Röhlsberger agora mostra uma nova maneira de melhorar e controlar a interação de raios-X com sistemas atômicos ressonantes.

O nível final na interação luz-matéria a esse respeito seria a formação de um estado composto de luz e matéria. Nesse caso, a energia de excitação é emitida periodicamente e reabsorvida várias vezes na amostra. "Essas '" oscilações Rabi "se manifestam como um padrão temporal característico na luz emitida por vazamento para fora do sistema, "explica Röhlsberger. Na faixa de raios-X, as ressonâncias mais fortes de toda a matéria são encontradas nos núcleos dos chamados isótopos Mössbauer (em homenagem a Rudolf Mössbauer, Prêmio Nobel de Física 1961). Eles oferecem a vantagem adicional de que sua vida útil pode durar vários dez nanossegundos (um nanossegundo é um bilionésimo de segundo), de modo que sua dinâmica temporal pode ser convenientemente observada. Pesquisadores do DESY em Hamburgo, o Instituto Max-Planck de Física Nuclear em Heidelberg, e a instalação europeia de radiação síncrotron em Grenoble observaram agora as oscilações de Rabi no regime de raios-X pela primeira vez, usando uma certa forma de ferro elementar (o isótopo Mössbauer 57Fe).

"Normalmente, As oscilações de Rabi são observadas em cavidades ópticas, "diz o primeiro autor Johann Haber de DESY. Estes são essencialmente dois espelhos entre os quais a luz reflete para frente e para trás. Se um átomo for colocado entre eles, o átomo pode absorver e reemitir essa radiação - uma vez que os espelhos irão refleti-la de volta para eles, este processo pode se repetir por algum tempo, levando a oscilações de Rabi. "Contudo, esta não é uma opção para a física de raios-X, já que não existem espelhos para raios-X como existem para luz visível, "explica Haber." Embora seja possível fabricar cavidades de raios-X e observar uma série de fenômenos ópticos quânticos com eles, o forte limite de acoplamento está claramente fora de alcance em tais sistemas. A razão é simplesmente que a vida de ressonância da cavidade nua é tão curta, (na faixa de femtossegundos,; isso significa quatrilionésimos de segundo, ) que um fóton emitido na cavidade em vez de deixar a cavidade em vez de interagir com os núcleos novamente. "

Portanto, uma abordagem diferente era necessária. O truque era a preparação de duas cavidades acopladas, cada um dos quais continha uma fina camada de núcleos 57Fe. "Isso muda a situação drasticamente, "diz Röhlsberger." Se uma das camadas emite um fóton, este fóton escapa quase instantaneamente da cavidade. Mas é tão provável que não se mova para a cavidade adjacente, onde seria absorvido pela segunda camada de núcleos 57Fe. Ao emitir, este processo se repete. De certa forma, o fóton agora não é trocado entre o modo de cavidade e um átomo, mas entre dois conjuntos de átomos. "

Este truque abre novas perspectivas para observar efeitos ópticos não lineares no regime de raios-X. "Uma via interessante de pesquisa seria examinar se as não linearidades ocorrem quando mais do que apenas um fóton entra no sistema, "diz a coautora Adriana Palffy, do Instituto Max Planck de Física Nuclear." Isso foi observado com radiação óptica, e pode ser repetido na faixa de raios-X, por exemplo, no novo XFEL europeu, o laser de raios-X de elétrons livres em Hamburgo. "Além disso, essas cavidades acopladas podem ser empregadas para gerar estados não clássicos de raios-X que podem facilitar a realização de técnicas de raios-X inteiramente novas, como imagens ou espectroscopia com os chamados estados fotônicos emaranhados.