實(shí)驗(yàn)在歐洲 XFEL 進(jìn)行。圖片來源：歐洲 XFEL/Heiner Müller-Elsner

一個研究小組能夠在漢堡的歐洲 XFEL 產(chǎn)生具有前所未有純度的偏振 X 射線。這些實(shí)驗(yàn)涉及來自 GSI 的一個分支 Helmholtz Institute Jena、Friedrich Schiller University Jena 和 Helmholtz Center Dresden-Rossendorf 的科學(xué)家。該方法預(yù)計(jì)將在未來幾年使用，以表明即使是真空在某些情況下也表現(xiàn)得像一種材料——這是量子電動力學(xué)的預(yù)測。

電磁輻射的極化描述了波在空間中的哪個平面上振蕩。雖然日常的電磁輻射(例如陽光)是非偏振的，但激光會產(chǎn)生偏振輻射。這是從固態(tài)物理到量子光學(xué)的廣泛實(shí)驗(yàn)的重要要求。

額外的偏振器，例如耶拿亥姆霍茲研究所正在開發(fā)的偏振器，其目的是進(jìn)一步提高偏振純度，但很長一段時(shí)間內(nèi)，幾個 10 -10的極限無法進(jìn)一步推動。2018 年，現(xiàn)已發(fā)表在Physical Review Research上的論文第一作者 Kai Schulze發(fā)現(xiàn)同步輻射的發(fā)散是造成這一限制的原因。“因此，為了進(jìn)一步提高純度，我們需要一個具有更好發(fā)散性的光源，”這位在 HI Jena 領(lǐng)導(dǎo)真空雙折射工作并共同負(fù)責(zé)耶拿大學(xué)相關(guān) DFG 研究項(xiàng)目的物理學(xué)家說。“歐洲 X 射線激光器歐洲 XFEL 在漢堡附近的 Schenefeld 的調(diào)試為此奠定了基礎(chǔ)。”

舒爾茨和他的團(tuán)隊(duì)與耶拿弗里德里希席勒大學(xué)和亥姆霍茲德累斯頓羅森多夫中心的科學(xué)家們一起，在歐洲 XFEL 開發(fā)了一個實(shí)驗(yàn)裝置，由于特殊的偏振器晶體創(chuàng)造了 8×10 -11的新純度記錄，這是一種非常精確對準(zhǔn)和穩(wěn)定的設(shè)置。這一新的純度記錄已經(jīng)促成了許多關(guān)于X 射線范圍內(nèi)的量子光學(xué)和固體電荷分布的實(shí)驗(yàn)。然而，人們對所謂的真空雙折射的檢測特別感興趣。

實(shí)驗(yàn)裝置HED(高能量密度科學(xué))。圖片來源：歐洲 XFEL/Jan Hosan

Werner Heisenberg 和 Hans Euler 早在 1936 年就描述了光與光的相互作用，但尚未在地球上直接觀察到。“真空雙折射是目前最有希望直接檢測光-光相互作用的效應(yīng)，”Schulze 解釋說。“在這個過程中，當(dāng)樣品光束在真空中與非常強(qiáng)的第二光束碰撞時(shí)，其偏振會發(fā)生變化。因此，真空就像雙折射晶體，也會影響偏振;因此得名。效果非常小， “

Schulze 進(jìn)一步解釋說，歐洲 XFEL 的高能量密度儀器將為未來的此類實(shí)驗(yàn)提供理想的條件。研究團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在有了一個可以測量最小偏振變化的裝置。真空雙折射的檢測不僅會進(jìn)一步鞏固量子電動力學(xué)的基礎(chǔ)，而且，如果出現(xiàn)與理論預(yù)期的偏差，也會為以前未知的基本粒子(如軸子或帶電粒子)提供線索。“我們希望能夠在未來幾年內(nèi)啟動第一個實(shí)驗(yàn)。”

對于 FAIR 粒子加速器中心的未來實(shí)驗(yàn)，這一現(xiàn)象的檢測也很有趣。“如果我們成功測量真空雙折射，這將有助于解釋來自 FAIR 的測量數(shù)據(jù)。除其他外，真空偏振將在那里發(fā)揮作用，這與真空雙折射密切相關(guān)，”舒爾茨說。