Un team internazionale di scienziati ha realizzato speciali occhiali a raggi X per concentrare il raggio di un laser a raggi X più forte che mai. La lente correttiva prodotta individualmente elimina quasi completamente gli inevitabili difetti di uno stack ottico a raggi X e concentra tre quarti del fascio di raggi X in un punto con un diametro di 250 nanometri (milionesimi di millimetro), avvicinandosi al limite teorico. Il fascio di raggi X concentrato non solo può migliorare la qualità di determinate misurazioni, ma apre anche vie di ricerca completamente nuove, come scrive sulla rivista il team che circonda lo scienziato capo di DESY Christian Schroer Comunicazioni sulla natura .

Sebbene i raggi X obbediscano alle stesse leggi ottiche della luce visibile, sono difficili da mettere a fuoco o deviare:"Sono disponibili solo pochi materiali per realizzare lenti a raggi X e specchi adatti, " spiega il coautore Andreas Schropp di DESY. "Inoltre, poiché la lunghezza d'onda dei raggi X è molto più piccola di quella della luce visibile, la produzione di lenti a raggi X di questo tipo richiede un grado di precisione molto più elevato di quello richiesto nel campo delle lunghezze d'onda ottiche:anche il minimo difetto nella forma della lente può avere un effetto dannoso".

La produzione di lenti e specchi idonei ha già raggiunto un altissimo livello di precisione, ma le lenti standard, costituito dall'elemento berillio, sono di solito leggermente troppo fortemente ricurvi vicino al centro, come nota Schropp. "Le lenti al berillio sono stampate a compressione utilizzando stampi di precisione. Errori di forma dell'ordine di poche centinaia di nanometri sono praticamente inevitabili nel processo". Ciò si traduce in più luce dispersa fuori fuoco che inevitabile a causa delle leggi della fisica. Cosa c'è di più, questa luce è distribuita abbastanza uniformemente su un'area piuttosto ampia.

Tali difetti sono irrilevanti in molte applicazioni. "Però, se vuoi riscaldare piccoli campioni usando il laser a raggi X, vuoi che la radiazione sia focalizzata su un'area il più piccola possibile, " dice Schropp. "Lo stesso vale per alcune tecniche di imaging, dove vuoi ottenere un'immagine di piccoli campioni con quanti più dettagli possibile."

Per ottimizzare la messa a fuoco, gli scienziati hanno prima misurato meticolosamente i difetti nella pila di lenti a raggi X portatili al berillio. Hanno quindi utilizzato questi dati per realizzare una lente correttiva personalizzata in vetro di quarzo, utilizzando un laser di precisione presso l'Università di Jena. Gli scienziati hanno quindi testato l'effetto di questi occhiali utilizzando il laser a raggi X LCLS presso lo SLAC National Accelerator Laboratory negli Stati Uniti.

"Senza gli occhiali correttivi, la nostra lente ha focalizzato circa il 75% della luce dei raggi X su un'area con un diametro di circa 1600 nanometri. Questo è circa dieci volte più grande di quanto teoricamente realizzabile, " riferisce l'autore principale Frank Seiboth dell'Università tecnica di Dresda, che ora lavora presso DESY. "Quando si usavano gli occhiali, Il 75% dei raggi X potrebbe essere focalizzato in un'area di circa 250 nanometri di diametro, avvicinandolo all'optimum teorico." Con la lente correttiva, circa tre volte più luce dei raggi X è stata focalizzata nella macchiolina centrale rispetto a senza di essa. In contrasto, l'intera larghezza a metà massimo (FWHM), la generica misura scientifica della nitidezza della messa a fuoco nell'ottica, non è cambiato molto ed è rimasto a circa 150 nanometri, con o senza occhiali.

La stessa combinazione di ottica standard mobile e occhiali su misura è stata studiata anche dal team della sorgente di raggi X di sincrotrone PETRA III di DESY e della British Diamond Light Source. In entrambi i casi, la lente correttiva ha portato ad un miglioramento paragonabile a quello visto al laser a raggi X. "In linea di principio, il nostro metodo consente di realizzare una lente correttiva individuale per ogni ottica a raggi X, " spiega lo scienziato capo Schroer, che è anche professore di fisica all'Università di Amburgo.

"Queste cosiddette piastre di fase possono non solo avvantaggiare le sorgenti di raggi X esistenti, ma in particolare potrebbero diventare un componente chiave dei laser a raggi X di prossima generazione e delle sorgenti di luce di sincrotrone, " sottolinea Schroer. "Concentrare i raggi X ai limiti teorici non è solo un prerequisito per un sostanziale miglioramento di una serie di diverse tecniche sperimentali; può anche aprire la strada a metodi di indagine completamente nuovi. Gli esempi includono la dispersione non lineare di particelle di luce da parte di particelle di materia, o creare particelle di materia dall'interazione di due particelle di luce. Per questi metodi, i raggi X devono essere concentrati in uno spazio minuscolo, il che significa che una messa a fuoco efficiente è essenziale."