Ao atingir os elétrons com um laser ultra-intenso, pesquisadores revelaram dinâmicas que vão além da física "clássica" e sugerem efeitos quânticos.

Sempre que a luz atinge um objeto, parte da luz se espalha de volta da superfície do objeto. Contudo, se o objeto estiver se movendo extremamente rápido, e se a luz for incrivelmente intensa, coisas estranhas podem acontecer.

Elétrons, por exemplo, podem ser sacudidos com tanta violência que realmente diminuem a velocidade porque irradiam muita energia. Os físicos chamam esse processo de "reação à radiação".

Acredita-se que essa reação de radiação ocorra em torno de objetos como buracos negros e quasares (buracos negros supermassivos cercados por um disco de gás). Ser capaz de medir a reação de radiação no laboratório, portanto, fornecerá insights sobre os processos que ocorrem em alguns dos ambientes mais extremos do universo.

A reação de radiação também é interessante para os físicos que estudam efeitos além da física "clássica", já que as equações (conhecidas como equações de Maxwell) que tradicionalmente definem as forças que agem sobre os objetos são insuficientes nesses ambientes extremos.

Agora, uma equipe de pesquisadores liderada pelo Imperial College London demonstrou a reação à radiação no laboratório pela primeira vez. Seus resultados são publicados hoje na revista. Revisão Física X .

Eles foram capazes de observar essa reação de radiação colidindo um feixe de laser um quatrilhão (um bilhão de milhões) de vezes mais brilhante do que a luz na superfície do Sol com um feixe de elétrons de alta energia. O experimento, que exigia extrema precisão e tempo requintado, foi alcançada usando o laser Gemini no Centro de Laser do Conselho de Instalações de Ciência e Tecnologia no Reino Unido.

Fótons de luz que refletem de um objeto que se move próximo à velocidade da luz têm sua energia aumentada. Nas condições extremas deste experimento, isso muda a luz refletida da parte visível do espectro até os raios gama de alta energia. Este efeito permitiu aos pesquisadores saber quando eles colidiram com sucesso os feixes.

Autor sênior do estudo, Dr. Stuart Mangles, do Departamento de Física da Imperial, disse:"Sabíamos que havíamos obtido sucesso na colisão dos dois feixes quando detectamos radiação gama de alta energia muito brilhante.

"O resultado real veio quando comparamos essa detecção com a energia no feixe de elétrons após a colisão. Descobrimos que essas colisões bem-sucedidas tinham uma energia de elétrons menor do que o esperado, o que é uma evidência clara da reação à radiação. "

Professor co-autor do estudo Alec Thomas, da Lancaster University e da University of Michigan, acrescentou:"Uma coisa que sempre acho tão fascinante sobre isso é que os elétrons são interrompidos com a mesma eficácia por esta folha de luz, uma fração da largura de um cabelo de espessura, como por algo como um milímetro de chumbo. Isso é extraordinário. "

Os dados do experimento também concordam melhor com um modelo teórico baseado nos princípios da eletrodinâmica quântica, em vez das equações de Maxwell, potencialmente fornecendo algumas das primeiras evidências de modelos quânticos não testados anteriormente.

Professor co-autor do estudo Mattias Marklund, da Chalmers University of Technology, Suécia, cujo grupo estava envolvido no estudo, disse:"Testar nossas previsões teóricas é de importância central para nós da Chalmers, especialmente em novos regimes, onde há muito o que aprender. Emparelhado com a teoria, esses experimentos são a base para a pesquisa de laser de alta intensidade no domínio quântico. "

No entanto, mais experimentos em intensidades ainda mais altas ou com feixes de elétrons de energia ainda mais alta serão necessários para confirmar se isso é verdade. A equipe realizará esses experimentos no próximo ano.

A equipe conseguiu tornar a luz tão intensa no experimento atual focalizando-a em um ponto muito pequeno (apenas alguns micrômetros - milionésimos de metro - de diâmetro) e entregando toda a energia em uma duração muito curta (apenas 40 femtossegundos de comprimento :40 quadrilionésimos de segundo).

Para tornar o feixe de elétrons pequeno o suficiente para interagir com o laser focalizado, a equipe usou uma técnica chamada 'aceleração de wakefield a laser'.

A técnica de wakefield a laser dispara outro pulso de laser intenso em um gás. O laser transforma o gás em plasma e impulsiona uma onda, chamado wakefield, atrás dele enquanto viaja pelo plasma. Os elétrons no plasma podem surfar nesta esteira e atingir energias muito altas em uma distância muito curta.