Światło jasne jak miliard Słońc

Laser Diokles z Extreme Light Laboratory na University of Nebraska rozbłysnął jaśniej niż miliard Słońc, dzięki czemu naukowcy mogli obserwować interakcje zachodzące pomiędzy światłem a materią. Donald Umstadter i jego koledzy uzyskali najjaśniejsze światło stworzone przez człowieka.

Światło Dioklesa trafiło w elektrony zawieszone w helu, a uczeni mierzyli, w jaki sposób fotony – będące jednocześnie cząstką i falą – rozpraszają się na pojedynczym elektronie.

W normalnych warunkach, gdy światło trafia w powierzchnię, to właśnie zjawisko rozpraszania pozwala nam widzieć. Jednak elektron rozprasza w danym momencie tylko jeden foton. A i tak zjawisko takie zachodzi niezwykle rzadko. Jak mówi Umstadter, przecięty elektron zostaje trafiony przez foton raz na cztery miesiące.

Naukowców bardzo interesuje zjawisko rozpraszania fotonów przez elektrony i od dawna prowadzą odpowiednie eksperymenty. Różnym zespołom naukowym udawało się dotychczas jednocześnie rozproszyć niewielką liczbę fotonów na pojedynczym fotonie. To, co osiągnął zespół Umstadtera jest jednak zupełnie wyjątkowe. Naukowcom z Nebraski udało się jednocześnie rozproszyć niemal 1000 fotonów. Niezwykle intensywne światło generowane przez laser Diokles powoduje, że zarówno fotony jak i elektrony zachowują się odmiennie niż zazwyczaj.

Gdy mamy do czynienia z tak niewyobrażalnie jasnym światłem okazuje się, że zmienia się natura rozpraszania, zjawiska, dzięki któremu możemy widzieć – stwierdza Umstadter. Standardowo foton rozprasza się na elektronie pod tym samym kątem i z tą samą energią, jaką miał przed uderzeniem w elektron. Zjawisko to zachodzi identycznie niezależnie od jasności światła. Jednak zespół Umstadtera odkrył, że po przekroczeniu pewnej granicy jasności, dochodzi do zmiany kąta, kształtu i długości fali rozproszonego światła. W normalnych warunkach gdy oświetlamy jakiś obiekt może on być jaśniejszy, gdy użyjemy jaśniejszego światła. Ale poza tym zawsze wygląda tak samo. Jednak w naszym eksperymencie światło zmieniło wygląd obiektu. Światło odbijało się pod różnymi kątami, miało różne kolory w zależności od jasności – mówi Umstadter.

Zmiana ma częściowo związek z elektronem, który od wpływem bardzo intensywnego światła przestaje poruszać się w górę iw dół, a zaczyna zakreślać ósemki. Ponadto, jak ma to zwykle miejsce, elektron emituje swój własny foton, jednak elektron oświetlany przez Dioklesa emituje foton, który absorbuje energię wszystkich rozproszonych fotonów, przez co zyskuje energię i długość fali właściwe dla promieni rentgenowskich. Umstadter mówi, że uzyskane w ten sposób promieniowanie X można wykorzystać na bardzo wiele sposobów. Może ono posłużyć, na przykład, do generowania trójwymiarowych obrazów w nanoskali, zmniejszając ilość promieniowania potrzebną do uzyskania takich obrazów. A to z kolei pozwoli na obrazowanie miniaturowych guzów nowotworowych czy uszkodzeń tkanek, które obecnie są niewidoczne dla konwencjonalnych aparatów rentgenowskich, umożliwi dokładne odwzorowanie na poziomie molekularnym materiałów w skali nano co posłuży dalszemu rozwojowi technologii półprzewodnikowych czy też posłuży do lepszego skanowania ludzi i bagaży w takich punktach jak np. lotniska.

Naukowcy z Nebraski cieszą się też ze ściśle naukowych aspektów swoich eksperymentów. Określenie związku pomiędzy jasnością lasera a właściwościami rozproszonego światła potwierdza niedawno zaproponowaną metodę pomiaru maksymalnej intensywności lasera, wspiera też kilka dotychczasowych hipotez i pokazuje, w jakim kierunku powinni pójść eksperci, by je udowodnić. Od wielu lat istnieje wiele teorii, których nigdy nie weryfikowano w laboratorium, gdyż nie dysponowaliśmy wystarczająco jasnym laserem. Teraz potwierdziliśmy niektóre z tych teorii – stwierdził Umstadter.

Diocles Laser laser Diokles światło