แสงสาดเพิ่มขึ้นสองคำสั่งของขนาดในระดับพลังงาน• Igor Ivanov •ข่าววิทยาศาสตร์เกี่ยวกับ "องค์ประกอบ" •ฟิสิกส์

แสงบิดขึ้นมาสองคำสั่งของขนาดในระดับพลังงาน

มะเดื่อ 1 คลื่นสำหรับคลื่นระนาบ (อยู่ตรงกลาง) และสำหรับหมุนแสง (ซ้ายและขวา) ถ้าก่อนหน้านี้แสงหมุนได้ถูก จำกัด ด้วยช่วงแสงตอนนี้มันเป็นไปได้ที่จะได้รับมันในรังสีเอกซ์ ภาพจากบทความในการสนทนา สรวง รายได้ เลทท์

แสงบิดเบี้ยวเป็นคลื่นแสงที่ผิดปกติซึ่งมีช่วงเวลาหมุนอยู่ในฟิสิกส์มาเป็นเวลานาน แต่จนถึงขณะนี้ยังไม่ได้ไปไกลเกินขอบเขตแสง นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันได้ค้นพบรังสีเอกซ์แบบหมุนที่มีพลังงานโฟตอน 99 eV นี้จะเปิดขึ้นเป็นไปได้ใหม่ทั้งในฟิสิกส์พื้นฐานและสำหรับการใช้งานจำนวนมาก

แสงบิดเบี้ยว: ความคุ้นเคยครั้งแรก

แสงบิดเบี้ยวเป็นคลื่นแสงที่ด้านหน้าของคลื่นไม่เรียบ แต่เป็นเกลียวเช่นสกรูเกลียว (รูปที่ 1) เนื่องจากส่วนกำหนดค่าที่ไม่เป็นไปตามมาตรฐานนี้ลำแสงหมุนไม่เพียง แต่บินไปข้างหน้า แต่ดูเหมือนว่าจะหมุนไปรอบ ๆ ทิศทางการเคลื่อนที่ ลำแสงดังกล่าวมีพลังงานไม่เพียง แต่โมเมนตัมและโพลาไรซ์เท่านั้น แต่ยังมีการหมุนบางอย่างแน่นอน โมเมนตัมเชิงมุมวงโคจร.

ทันทีที่มันคุ้มค่าการทำ caveat สำคัญ: แม้จะมีภาพในมะเดื่อ1 คล้ายกับภาพประกอบมาตรฐานสำหรับโพลาไรซ์วงกลมซึ่งเป็นลักษณะที่แตกต่างกันสองแบบของคลื่นแสง การทำ polarization เกี่ยวข้องกับทิศทางของสนามไฟฟ้า คลื่นแบนและบิดแสดงลักษณะคลื่น คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ไม่ว่าจะเป็นโพลาไรซ์ สำหรับคำอธิบายโดยละเอียดโปรดดูที่บทความ Swirling Light and Twisted Electrons: การทบทวนผลการค้นหาใหม่

ความจริงที่ว่าโฟตอนสามารถนำขั้วไม่เพียง แต่ยังโคจรโมเมนตัมเชิงมุมได้รับการเข้าใจมาเป็นเวลานาน แต่คานแสงที่มุ่งเน้นอย่างหวุดหวิดกับหน้าคลื่นเป็นคลื่นได้เรียนรู้ที่จะได้รับเฉพาะในปี 2538 ด้วยความสนใจอย่างมากเทคโนโลยีในการตรวจจับและควบคุมแสงหมุนได้รับการปรับปรุงให้ดีขึ้นอย่างรวดเร็วและแท้จริงในทศวรรษที่ผ่านมากลายเป็นวิธีการวิจัยเป็นประจำในสาขาต่างๆของฟิสิกส์

ที่นี่และคำถามที่ลึกซึ้งของเลนส์ทั้งแบบคลาสสิกและควอนตัมและความหลากหลายของคำถามจากทฤษฎีควอนตัมของข้อมูล รัฐควอนตัมของสองโฟตอนสามารถสับสนไม่เพียง แต่โดยโพลาไรซ์ (ซึ่งจะให้พื้นที่สองมิติเท่านั้นสำหรับการพัวพันนั่นคือชุดค่าผสมของโพลาไรซ์วงกลมด้านขวาและด้านซ้าย) รวมถึงโมเมนตัมเชิงมุมวงโคจรและเนื่องจากสามารถเป็นจำนวนเต็มใดก็ได้แล้วพื้นที่สำหรับการจัดการมีความจุมากขึ้นที่นี่อย่างเป็นทางการก็คือมิติโดยพลการ ตอนนี้พวกเขาสามารถสับสนกับสถานะของโฟตอนที่มีโมเมนตัมเชิงมุมวงโคจรไม่ได้± 1 ไม่ใช่± 2 และไม่เกิน±หลายร้อย นี้ช่วยให้คุณสามารถใส่การทดลองเชิงควอนตัมที่มีเสรีภาพในการปฏิบัติงานอย่างไม่เคยปรากฏมาก่อนเพิ่มความสามารถในการรับข้อมูลของแต่ละโฟตอนอย่างรวดเร็วเพิ่มความเป็นไปได้ในการเข้ารหัสด้วยควอนตัม ในที่สุดแสงหมุนได้ถูกใช้เป็นวิธีใหม่ในการทำปฏิกิริยากับอะตอมแต่ละตัวบนคอนเดนเสทของโบส – ไอน์สไตน์เป็นเครื่องมือวิจัยใหม่ในการตรวจด้วยจุลทรรศน์ micromechanics ใน microdevices optoelectronic และแม้แต่ในดาราศาสตร์ฟิสิกส์ ตัวอย่างมากมายสามารถพบได้ในหนังสือที่เผยแพร่เมื่อสองปีก่อน (J. P. Torres, R. Torner, 2011. Twisted Photons)

วิธีการเพิ่มพลังงาน?

นี่คือทั้งหมดที่ยอดเยี่ยม แต่จนถึงขณะนี้ความเป็นไปได้ของการทดลองไม่ได้ไปไกลเกินขอบเขตแสง (พลังงานโฟตอนเป็นอิเล็กตรอนประมาณ 1 โวลต์, eV) แต่สำหรับงานหลาย ๆ อย่างผมอยากจะได้รับโฟตอนที่หมุนเวียนพลังงานมากขึ้น สมมติว่ามีการหมุนภาพรังสีเอกซ์ (พลังงานโฟตอนในร้อย eV และ keV)แล้วสีใหม่จะเล่นการวิเคราะห์ X-ray ของสารและโดยเฉพาะอย่างยิ่งโมเลกุลที่ซับซ้อน (โดยเฉพาะอย่างยิ่งทางชีวภาพที่สำคัญ) กับเกลียวขดลวด ในฟิสิกส์อะตอมจะมีวิธีกระตุ้นการเปลี่ยนอิเล็กตรอนด้วยการเปลี่ยนแปลงโมเมนตัมเชิงมุมของวงโคจรอย่างคมชัดซึ่งเป็นสิ่งที่กำลังเกิดขึ้นอย่างมากในปัจจุบัน อย่างไรก็ตามถ้าเป็นไปได้ที่จะได้รับโฟตอนหมุนด้วยพลังงานจาก MeV และสูงกว่านั้นวิธีใหม่จะเปิดขึ้นเพื่อกระตุ้นสถานะการหมุนของนิวเคลียสและอาจเป็นอนุภาคมูลฐาน โดยทั่วไปลูกค้ามีเสน่ห์ – คุณเพียงแค่ต้องทำให้โฟตอนดังกล่าวเป็นจริง

แต่น่าเสียดายที่เทคนิคมาตรฐานของการบิดแสงไม่ทำงานที่นี่ ความจริงก็คือโฟตอนที่บิดเบี้ยวมักจะได้รับดังต่อไปนี้ประการแรกพวกเขาสร้างคลื่นระนาบแสงธรรมดาที่มีหน้าคลื่นกว้างและคลื่นแล้วส่งผ่านอุปกรณ์การเลี้ยวเบนแบบพิเศษหรือ "มาส์ก" อื่น ๆ ที่ตัดโปรไฟล์ของรูปร่างที่ต้องการออกจากคลื่นแสง (ดูรายละเอียดใน บทความรีวิวของเรา) แต่สำหรับพลังงานของ eV นับร้อย ๆ ขึ้นไปพบว่าเป็นแหล่งหาโฟตอนที่มีการเชื่อมโยงที่ดีและสร้าง "มาสก์แบบแสง" ที่เหมาะสมดังนั้นนักวิทยาศาสตร์จึงเริ่มโน้มเอียงไปถึงความคิดที่ว่าจำเป็นต้องเปลี่ยนแปลงวิธีการในการหาโฟตอนที่มีพลังงานสูงมาก

มะเดื่อ 2 โครงร่างของรังสีซินโครตรอนใน undulator ภาพจาก photon-science.desy.de

ในปี 2550 ในบทความ Phys รายได้ เลทท์ 100, 124801 มีข้อเสนอในการสร้างรังสีเอกซ์ที่หมุนด้วยเครื่อง undulator ความคิดคือสิ่งนี้ เราใช้ตัวเร่งอิเล็กตรอนแบบปกติเป็นพลังงานที่มีกำลังปานกลาง (กล่าวคือ GeV หลายตัว) และขับเคลื่อนลำแสงอิเล็กตรอนผ่านส่วนตรงซึ่งมีการติดตั้งแม่เหล็กไฟฟ้าจำนวนมากสลับกันอยู่ (รูปที่ 2) บินผ่านช่องดังกล่าวพวงอิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่จากด้านหนึ่งไปอีกด้านหนึ่งและการมึนงงจะปล่อยรังสีซิงโครตรอน การแผ่รังสีนี้สามารถทำได้ค่อนข้างมีประสิทธิภาพกำกับอย่างหวุดหวิด monochromatic และยิ่งไปกว่านั้นด้วยความถี่ที่ขึ้นอยู่กับพลังงานของอิเล็กตรอน tunable สำหรับข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับหลักการทำงานและการใช้ undulator โปรดดูที่ข่าวของเรานักฟิสิกส์ได้สร้างกล้องจุลทรรศน์เอ็กซเรย์บนเดสก์ท็อป หลักการนี้โดยเฉพาะจะใช้เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระ

Ondulators มีสองประเภทหลัก: แบนและเกลียวในตอนแรกกระจุกอิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ไปในระนาบเดียว (ดังรูปที่ 2) ในสองวงโคจรจะเป็นเกลียว นี้มีผลต่อคุณสมบัติของรังสี: ในแบนเป็นขั้วเชิงเส้นและในเกลียวเป็นวงกลม แต่นั่นไม่ใช่ทั้งหมด ตามการคำนวณของบทความในปี 2550 ปรากฎว่านี่จะส่งผลต่อการหมุนของโฟตอนที่ปล่อยออกมาด้วยเช่นรังสีที่มีโมเมนตัมเชิงมุมวงโคจรบางอย่างจะเกิดขึ้นในตัว undulator เกลียว

จริงมีความละเอียดอ่อนขนาดเล็กซึ่งทำให้เรื่องมีความซับซ้อนมากขึ้น สำหรับกระบวนการหลาย ๆ ระยะผลที่เกิดขึ้นถ้ามีการขยายตัวในการสั่นของความถี่ที่กำหนดอาจมีความถี่ไม่มากนักเท่านั้น แต่ยังรวมถึงความถี่หลายความถี่เพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าเป็นต้นซึ่งเป็นความจริงสำหรับการแผ่รังสี undulator: รังสีส่วนใหญ่ไปที่ความถี่พื้นฐาน แต่ยังมีรังสีที่หลายความถี่แม้ว่าจะอ่อนแอลงมากก็ตาม ตามการคำนวณได้แสดงให้เห็นว่าการบิดของโฟตอนไม่ใช่พื้นฐาน แต่จำเป็นต้องมีความถี่ที่สูงขึ้น ข้อสรุปเดียวกันได้รับการยืนยันแล้วในบทความ arXiv: 1109.1603

เอ็กซ์เรย์ Twisted ที่ได้รับ

แนวคิดที่นำเสนอไม่ง่ายนักที่จะใช้จุดที่นี่ไม่ได้เป็นเพียงว่าการปล่อยของ undulator ที่หลายความถี่อ่อนแอและดังนั้นจึงมักจะไม่ได้ศึกษา ปรากฎว่าไม่ง่ายอย่างยิ่งที่จะพิสูจน์ว่ามีโมเมนตัมเชิงมุมวงโคจรอยู่ในคลื่นที่ไม่ใช่คลื่นระนาบ หากแสงบิดดังกล่าวส่องลงบนหน้าจอจะทำให้เครื่องหมายในรูปของวงแหวนสมมาตรที่เรียบร้อย แต่แหวนความสว่างเดียวกันสามารถสร้างขึ้นได้โดยไม่ต้องบิด (ผู้อ่านของ Elements ได้พบตัวอย่างเช่นในปัญหา Polarized Radially Polarized Light) ดังนั้นเพื่อพิสูจน์ว่าโฟตอนที่ได้มานั้นบิดเบี้ยวจริงควรใช้วิธีการที่แม่นยำมากขึ้น

วิธีการดังกล่าวถูกคิดค้นและนำมาใช้ในทางกายภาพ รายได้ เลทท์ 111, 034801 (2013) ขอบคุณกับเขานักฟิสิกส์สามารถมองเห็นได้ว่าโฟตอนของรังสีเอกซ์ที่มีพลังงาน 99 eV พวกเขาได้รับโมเมนตัมเชิงมุมเชิงวงรีจริงๆ

มะเดื่อ 3 รูปแบบของการทดลองในการสังเกตการณ์รังสีเอกซ์เรย์ด้วยโมเมนตัมเชิงมุมวงโคจร ภาพจากบทความในการสนทนา สรวง รายได้ เลทท์

ในรูป 3 แสดงแผนงานของการทดลองที่จัดทำขึ้นในแหวนจัดเก็บข้อมูลอิเล็กทรอนิกส์ของเยอรมัน BESSY II นักฟิสิกส์ได้จัดตั้งเป็นพิเศษ, สอง undulatorครึ่งแรกของมันบังคับให้พวงอิเล็กตรอนเคลื่อนที่เป็นเกลียวและแปลโควต้าลงในเครื่องบิน รังสีเกิดขึ้นในทั้งสองด้านและแน่นอนว่ามีความถี่เดียวกันและซ้อนทับกันและกัน เป็นผลให้สิ่งที่ลดลงบนหน้าจอไม่ได้เป็น X-ray บิดบริสุทธิ์ แต่ การรบกวน swirling และ non-swirling light ซึ่งถูกบันทึกโดยเครื่อง monochromator และ detector แบบพิเศษ

และการแทรกแซงดังกล่าวเมื่อมันเปิดออกนำไปสู่รูปแบบที่ซับซ้อนที่ชัดเจนแสดงให้เห็นถึงการปรากฏตัวและทิศทางของ curliness ของรังสีที่เกิดขึ้นในขั้นตอนแรก ในรูป 4 ด้านซ้ายแสดงการกระจายความเข้มที่มองในความเป็นจริงและด้านขวา – ผลของการจำลองเชิงตัวเลข โครงสร้างเกลียวของรังสีจะมองเห็นได้ชัดเจนซึ่งสอดคล้องกับผลการจำลอง เมื่อทิศทางของวงโคจรขดลวดมีการเปลี่ยนแปลงในช่วงครึ่งแรกของ undulator ทิศทางของเกลียวในการกระจายนี้ยังมีการเปลี่ยนแปลง เราเน้นว่าผลนี้เกี่ยวข้องกับการแผ่รังสีที่ความถี่สองเท่า ไม่มีการปั่นความถี่หลัก นอกจากนี้ยังไม่มีอยู่แน่นอนเมื่อถอดส่วนใดส่วนหนึ่งของ undulator

มะเดื่อ 4 วัดได้จากการทดลอง (ด้านซ้าย) และได้โดยการสร้างแบบจำลอง (ด้านขวาa) การกระจายความเข้มของการแผ่รังสีในเครื่อง undulator คู่ ภาพจากบทความในการสนทนา สรวง รายได้ เลทท์

ดังนั้นวิธีการของการได้รับรังสีเอกซ์หมุนที่นำเสนอเมื่อ 6 ปีที่แล้วได้ถูกนำมาใช้และฟิสิกส์ของการหมุนของแสงได้ขยายขอบเขตของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าขึ้นอีกสองเท่าตามลำดับ หากต้องการคุณสามารถตั้งค่าการทดลองด้วยรังสีเอ็กซ์บิดได้ในขณะนี้ ควบคู่ไปกับการนี้หนึ่งสามารถพยายามที่จะเพิ่มพลังงานโฟตอนที่สูงขึ้น: การทำเช่นนี้ก็เพียงพอที่จะติดตั้ง undulator คู่เดียวกันในแหวนจัดเก็บข้อมูลที่มีพลังงานอิเล็กตรอนที่สูงขึ้น เนื่องจากในการชนกันของอิเล็กตรอนยุคใหม่พลังงานที่ได้จากคำสั่งของ 100 GeV จะสามารถทำได้แล้วและพลังงานของโฟตอนที่ปล่อยออกมาในเครื่องเพิ่มกำลังเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าเมื่อใช้พลังงานจากอิเล็กตรอนโฟตอนที่ MeV บิดเบี้ยวดูเหมือนเป็นไปได้ค่อนข้างมาก

ที่มา: J. Bahrdt et al. การสังเกตการณ์ครั้งแรกของโฟตอนที่เคลื่อนที่โมเมนตัมเชิงมุมเชิงมุมในการแผ่รัง Undulator // สรวง รายได้ เลทท์ 111, 034801 (2013).

Igor Ivanov


Like this post? Please share to your friends:
ใส่ความเห็น

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: