Una colaboración de científicos de cinco de las fuentes de rayos X más avanzadas del mundo en Europa, Japón y los Estados Unidos, ha logrado verificar una predicción básica del comportamiento mecánico-cuántico de los sistemas resonantes. En el estudio publicado en Física de la naturaleza pudieron seguir cuidadosamente, una radiografía a la vez, la descomposición de los núcleos en un cristal perfecto después de la excitación con un destello de rayos X de la fuente pulsada más fuerte del mundo, el láser de electrones sin rayos X SACLAen Harima, Japón. Observaron una reducción drástica del tiempo necesario para emitir la primera radiografía a medida que aumentaba el número de rayos X. Este comportamiento está en buen acuerdo con un límite de un sistema superradiactivo, como lo predijo Robert H.Dicke en 1954.
Dicke predijo que, de la misma manera que una gran colección de campanas actuará de manera diferente a una sola campana que se toca, un grupo de átomos emitirá luz en respuesta a la excitación a una velocidad diferente, más rápida, que una solaátomo. Él predijo un estado "superradiante", donde, cuando se colocan grandes cantidades de fotones o cuantos en un sistema con muchos átomos, la desintegración se vuelve mucho más rápida que la de un solo átomo aislado. Tomando la analogía de las campanas, sugirióque si tienes una gran cantidad de campanas que excitas juntas, pueden sonar muy fuerte, pero el sonido se apaga mucho más rápido que el suave desvanecimiento de una sola campana. Su enfoque incluyó efectos cuánticos, prediciendo que la decadencia más rápida ocurrió cuando elel número de cuantos era la mitad del número de átomos.
El concepto de superradiancia se ha verificado desde entonces y, de hecho, es una piedra de toque en el campo de la óptica cuántica. Sin embargo, Dicke también predijo que se produciría un cambio muy fuerte en la tasa de descomposición incluso cuando el número de cuantos en el sistema eramucho menos que el número de átomos en el sistema. Esto es lo que se investigó en los experimentos recientes en SACLA y la Instalación Europea de Radiación Sincrotrón ESRF en Francia.
El nuevo trabajo reemplazó los cuantos de baja energía imaginados por Dicke con rayos X de alta energía, lo que permitió a los investigadores seguir la descomposición del sistema un cuanto, es decir, una radiografía, a la vez.los pulsos fuertes de rayos X son mucho más duros que para la luz de baja energía, y se requieren utilizando las fuentes más modernas, los láseres de electrones libres de rayos X. Estas fuentes solo han estado disponibles recientemente, y de las pocas que operan en el mundo, solo una,SACLA, en el Centro RIKEN SPring-8 en Japón, logra la alta energía requerida. Usando esta fuente, un equipo internacional de investigadores del ESRF en Francia, SPring-8 en Japón, DESY en Alemania, el APS en los EE. UU., Y elEl Instituto Kurchatov en Rusia pudo seguir con precisión la desintegración de hasta 68 fotones de rayos X. Observaron que la emisión acelerada del primer fotón estaba en excelente acuerdo con la predicción de Dicke. La desintegración de un solo fotón en las mismas condiciones experimentales fueestudió en el ESRF.
Según Alfred Baron, del Centro RIKEN SPring-8, "a través de este trabajo, pudimos demostrar que el trabajo de Dicke era correcto, y también pudimos ofrecer una imagen alternativa de las propiedades de descomposición, basada en un enfoque estadístico.Esto será valioso para comprender el trabajo futuro.
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