Le raffiche ultracorte di elettroni hanno diverse importanti applicazioni nell'imaging scientifico, ma la loro produzione ha in genere richiesto un costoso, apparato assetato di potere delle dimensioni di un'auto.

Nel diario ottica , ricercatori del MIT, il sincrotrone tedesco, e l'Università di Amburgo in Germania descrivono una nuova tecnica per generare burst di elettroni, che potrebbe essere la base di un dispositivo delle dimensioni di una scatola da scarpe che consuma solo una frazione di energia rispetto ai suoi predecessori.

I fasci di elettroni ultracorti vengono utilizzati per raccogliere direttamente informazioni sui materiali che stanno subendo reazioni chimiche o cambiamenti di stato fisico. Ma dopo essere stato sparato con un acceleratore di particelle lungo mezzo miglio, sono anche usati per produrre raggi X ultracorti.

L'anno scorso, in Comunicazioni sulla natura , lo stesso gruppo di ricercatori del MIT e di Amburgo ha riportato il prototipo di un piccolo "acceleratore lineare" che potrebbe servire allo stesso scopo del molto più grande e costoso acceleratore di particelle. Quella tecnologia, insieme a una versione ad alta energia del nuovo "cannone elettronico, " potrebbe portare la potenza di imaging degli impulsi a raggi X ultracorti ai laboratori accademici e industriali.

Infatti, mentre i burst di elettroni riportati nel nuovo articolo hanno una durata misurata in centinaia di femtosecondi, o quadrilionesimi di secondo (che è circa ciò che i migliori cannoni elettronici esistenti possono gestire), l'approccio dei ricercatori ha il potenziale per ridurre la loro durata a un singolo femtosecondo. Un burst di elettroni di un singolo femtosecondo potrebbe generare impulsi di raggi X ad attosecondi, che consentirebbe l'imaging in tempo reale del macchinario cellulare in azione.

"Stiamo costruendo uno strumento per i chimici, fisici, e i biologi che utilizzano direttamente le sorgenti luminose a raggi X o i fasci di elettroni per svolgere le loro ricerche, "dice Ronny Huang, uno studente di dottorato di ricerca del MIT in ingegneria elettrica e primo autore del nuovo articolo. "Poiché questi fasci di elettroni sono così corti, ti permettono di congelare il movimento degli elettroni all'interno delle molecole mentre le molecole stanno subendo una reazione chimica. Una sorgente di luce a raggi X a femtosecondi richiede più hardware, ma utilizza cannoni elettronici."

In particolare, Huang spiega, con una tecnica chiamata imaging di diffrazione elettronica, fisici e chimici utilizzano lampi ultracorti di elettroni per studiare i cambiamenti di fase nei materiali, come il passaggio da uno stato elettricamente conduttivo a uno non conduttivo, e la creazione e la dissoluzione di legami tra molecole nelle reazioni chimiche.

Gli impulsi a raggi X ultracorti hanno gli stessi vantaggi dei normali raggi X:penetrano più profondamente nei materiali più spessi. L'attuale metodo per produrre raggi X ultracorti prevede l'invio di esplosioni di elettroni da un cannone elettronico delle dimensioni di un'auto attraverso un miliardo di dollari, acceleratore di particelle lungo un chilometro che ne aumenta la velocità. Quindi passano tra due file di magneti, noti come "ondulatori", che li convertono in raggi X.

Nell'articolo pubblicato l'anno scorso, di cui Huang era coautore, il gruppo MIT-Amburgo, insieme ai colleghi del Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter di Amburgo e dell'Università di Toronto, ha descritto un nuovo approccio all'accelerazione degli elettroni che potrebbe ridurre gli acceleratori di particelle alle dimensioni di un tavolo. "Questo dovrebbe completare quello, "Huang dice, sul nuovo studio.

Franz Kartner, che è stato professore di ingegneria elettrica al MIT per 10 anni prima di trasferirsi al Synchrotron tedesco e all'Università di Amburgo nel 2011, guidato il progetto. Kärtner rimane un investigatore principale presso il Research Laboratory of Electronics del MIT ed è relatore di tesi di Huang. A lui e Huang si uniscono sul nuovo documento otto colleghi sia del MIT che di Amburgo.

Confinamento della lunghezza d'onda Sub

Il nuovo cannone elettronico dei ricercatori è una variazione di un dispositivo chiamato cannone RF. Ma dove la pistola RF utilizza radiazioni a radiofrequenza (RF) per accelerare gli elettroni, il nuovo dispositivo utilizza radiazioni terahertz, la banda di radiazione elettromagnetica tra le microonde e la luce visibile.

Il dispositivo dei ricercatori, che ha le dimensioni di una scatola di fiammiferi, è costituito da due lastre di rame che, presso i loro centri, distano solo 75 micrometri. Ogni piatto ha due pieghe in esso, in modo che assomigli piuttosto a una lettera tripla che è stata aperta e appoggiata su un lato. Le piastre si piegano in direzioni opposte, in modo che siano più distanti tra loro—6 millimetri—ai loro bordi.

Al centro di una delle piastre si trova un vetrino di quarzo su cui è depositato un film di rame che, al suo più sottile, ha uno spessore di soli 30 nanometri. Una breve esplosione di luce di un laser ultravioletto colpisce la pellicola nel suo punto più sottile, elettroni sciolti stridenti, che vengono emessi sul lato opposto del film.

Allo stesso tempo, un lampo di radiazione terahertz passa tra le piastre in direzione perpendicolare a quella del laser. Si può pensare che tutte le radiazioni elettromagnetiche abbiano componenti elettrici e magnetici, che sono perpendicolari tra loro. La radiazione terahertz è polarizzata in modo che la sua componente elettrica acceleri gli elettroni direttamente verso la seconda piastra.

La chiave del sistema è che la rastremazione delle placche confina la radiazione terahertz in un'area, il gap di 75 micrometri, che è più stretta della propria lunghezza d'onda. "È qualcosa di speciale, " dice Huang. "In genere, nell'ottica, non puoi limitare qualcosa al di sotto di una lunghezza d'onda. Ma usando questa struttura siamo stati in grado di farlo. Confinandolo aumenta la densità di energia, che aumenta la potenza di accelerazione."

A causa di quella maggiore potenza di accelerazione, il dispositivo può accontentarsi di raggi terahertz la cui potenza è molto inferiore a quella dei raggi a radiofrequenza utilizzati in una tipica pistola RF. Inoltre, lo stesso laser può generare sia il raggio ultravioletto che, con alcuni componenti ottici aggiuntivi, il raggio terahertz.

Secondo James Rosenzweig, professore di fisica all'Università della California a Los Angeles, questo è uno degli aspetti più interessanti del sistema dei ricercatori. "Uno dei problemi principali che hai con sorgenti ultraveloci come questa è il jitter temporale tra, dire, il laser e il campo di accelerazione, che produce tutti i tipi di effetti sistematici che rendono più difficile eseguire la diffrazione elettronica risolta nel tempo, " dice Rosezweig.

"Nel caso del dispositivo di Kärtner, il laser produce i terahertz e produce anche i fotoelettroni, quindi il jitter è altamente soppresso. Potresti fare esperimenti con sonda a pompa in cui il laser è il driver e gli elettroni sarebbero la sonda, e avrebbero più successo di quello che hai adesso. E, naturalmente, sarebbe un dispositivo di dimensioni molto ridotte e di costo contenuto. Quindi potrebbe rivelarsi molto importante per quanto riguarda lo scenario".