Uma conexão matemática inesperada entre um tipo especial de movimento mecânico e o comportamento da luz foi descoberta por três físicos RIKEN1. Essa estranha ligação poderia ajudar os físicos a projetar futuros aceleradores de partículas, bem como a investigar gases ionizados quentes conhecidos como plasmas.

Hitoshi Tanaka e seus colegas do RIKEN SPring-8 Center fizeram a descoberta por acidente. Eles estavam projetando uma fonte de radiação síncrotron de próxima geração em que feixes de elétrons viajam ao redor de um grande circuito circular, emitindo raios-X enquanto viajam. Cavidades em aceleração aceleram periodicamente os feixes para mantê-los em uma energia constante.

A equipe queria encontrar uma maneira de absorver com segurança e eficiência a energia do feixe expandindo espacialmente os feixes. "Temos um afiado, feixe de alta intensidade que pode derreter uma câmara de vácuo de aço, "Tanaka diz.

A equipe modelou matematicamente os elétrons que circulam na fonte de radiação síncrotron. Uma parte central do modelo construído é equivalente a um oscilador harmônico forçado, com uma frequência natural de oscilação que varia lentamente. Um exemplo simples de um oscilador harmônico forçado é uma criança em um balanço, sendo empurrado por um dos pais no momento certo para aumentar a amplitude do swing. No caso de Tanaka, o eletrodo fornece essa força motriz, fazendo com que os elétrons vibrem ligeiramente enquanto viajam.

A equipe resolveu a equação para encontrar a frequência ideal necessária para aumentar a amplitude de oscilação dos elétrons para espalhar os feixes de elétrons. Surpreendentemente, a solução parecia semelhante a uma que descreve um sistema totalmente diferente - a maneira como as ondas de luz interferem quando um feixe de luz passa por uma fenda estreita. Quando uma tela é colocada longe da fenda, um padrão de listras claras e escuras aparece na tela (Fig. 1). As partes brilhantes correspondem a regiões onde os picos das ondas de luz se combinam construtivamente, enquanto as listras escuras são áreas onde os picos de algumas ondas se combinam com os vales de outras, cancelando-se mutuamente.

"No início, não entendíamos por que estávamos vendo isso, porque nosso sistema é mecânico, não óptico, "Tanaka diz.

A equipe então calculou que qualquer oscilador harmônico forçado simples com uma frequência de variação lenta também se comportará de forma análoga à luz. Quando a força motriz é aplicada com a frequência certa, o sistema ressoa e a amplitude da oscilação aumenta - exatamente como quando duas ondas de luz interferem construtivamente.

"Os osciladores harmônicos são importantes em muitos tipos de física, como a física do plasma e física do acelerador, "diz Tanaka, que espera que os resultados sejam úteis nestes e outros campos.