Láseres de rayos X y transiciones prohibidas

Question

Mis notas de un curso de introducción al láser dicen que

No existe un láser que emita en los rayos X porque el tiempo de desintegración espontánea es demasiado corto para tener una emisión estimulada. De hecho, va con la inversa de la frecuencia de la transición, siendo por tanto pequeño para transiciones de alta frecuencia.

Lo sé: $$τ_{sp} \propto \frac{1}{\omega_0^3 |μ_{12}|^2}$$ con $ω_0$ frecuencia angular asociada a la transición y $μ_{12}$ valor de la expectativa del operador de transición. También sé que, para la transición con una probabilidad muy baja, como el dipolo magnético permitido (y el dipolo eléctrico prohibido), este tiempo de vida puede aumentar significativamente.

También sé que hay muchas reglas de selección diferentes (cuadrupolo eléctrico, cuadrupolo magnético, ...), cada una menos probable que la anterior, para las que el tiempo de desintegración espontánea podría ser mayor.

Por lo tanto, ¿por qué no existen los láseres de rayos x? ¿Es sólo que sigue siendo más conveniente desarrollar sincrotrones o hay alguna otra razón? ¿Cuáles han sido los esfuerzos científicos en este sentido?

Answer 1

Como se menciona en la respuesta de Semoi, las transiciones electrónicas en el régimen de rayos X tienen la desventaja de que tenderán a ser transiciones ionizantes, es decir, pondrán un electrón en el continuo, donde tenderá a volar y no volver.

Sin embargo, En general, esto sólo es cierto para los átomos neutros, pero una vez que se eliminan uno o unos pocos electrones, los electrones restantes están mucho más ligados, lo que significa que se pueden tener transiciones con una diferencia de energía mucho mayor que aún permanecen dentro del colector de estados ligados. Por lo tanto, si se trabaja en un plasma ionizado, hay buenas posibilidades de poder implementar un ciclo de láser cerrado, que puede ser bombeado externamente o incluso a través de las propias excitaciones colisionales del plasma.

Por supuesto, esto supondrá un experimento desafiante. Por un lado, los electrones libres pueden ser altamente dispersivo en el régimen de rayos X blandos, por lo que la adaptación de fase debe hacerse con cuidado. Y lo que es más importante, los buenos elementos ópticos, especialmente en transmisión y en reflexión de incidencia normal, son escasos a partir del XUV, por lo que construir una cavidad resonante será entre difícil e imposible (aunque como expliqué en esta respuesta relacionada La pérdida de la cavidad no es completamente fatal). Sin embargo, se puede hacer.

La primera vez que me di cuenta de que este tipo de amplificación es una posibilidad fue a través del experimento absolutamente heroico descrito en

Demostración de un láser de rayos X blandos basado en plasma con polarización circular. A. Depresseux et al. Phys. Rev. Lett. 115 , 083901 (2015) .

pero un lugar mejor para aprender más es su clave de referencia,

Láser de rayos X multimilijulio y altamente coherente a 21 nm que opera en saturación profunda mediante amplificación de doble paso. B. Rus et al. Phys. Rev. A 66 , 063806 (2002) .

que a su vez revisa muchos enfoques viables del problema.

Answer 2

Consideremos un electrón, que está unido a un átomo. Si absorbe un fotón de rayos X, el electrón abandona el átomo y se convierte en un electrón libre. Por lo tanto, el proceso inverso "no es posible" por emisión estimulada -- el electrón libre no pertenece al átomo. Además, los rayos X serían reabsorbidos "inmediatamente", porque las transiciones de los electrones ligados al continuo no están limitadas por las reglas de transición.

Answer 3

El láser de rayos X es más bien un proceso de emisión de Brehmsstralung estimulada o de emisión de sincrotrón. Si se acelera el láser con una frecuencia $\nu_a$ entonces la radiación emitida es aproximadamente $\nu~\simeq~\gamma^2\nu_a$ . El láser wiggler o de electrones libres funciona según este principio. Un conjunto de dipolos magnéticos obliga a un haz de electrones a contonearse o seguir una trayectoria ondulante. Si la velocidad del electrón es $v~-~0.999999c$ o $\gamma^2~=~5\times 10^5$ . Ahora supongamos que los imanes dipolares son $1\:\mathrm{cm}$ aparte. La frecuencia de oscilación del haz de electrones será de aproximadamente $\nu~=~3\times 10^{10}\:\mathrm{s}^{-1}$ . La frecuencia de la radiación emitida es entonces de aproximadamente $1.5\times 10^{15}\:\mathrm{Hz}$ . Esto es en la gama baja de UV. Esto requiere que los electrones sean empujados a $\gamma~=~224$ o a $112 \:\mathrm{MeV}$ .