I raggi X rendono visibile l'invisibile:permettono di determinare la struttura dei materiali fino al livello dei singoli atomi. Negli anni '50 furono i raggi X a rivelare la struttura a doppia elica del DNA. Con le nuove sorgenti di raggi X, come il laser a elettroni liberi XFEL ad Amburgo, è anche possibile "filmare" reazioni chimiche. I risultati ottenuti dagli studi che utilizzano queste nuove sorgenti di raggi X potrebbero essere in procinto di diventare ancora più precisi. Un team di Kilian Heeg del Max Planck Institute for Nuclear Physics di Heidelberg ha ora trovato un modo per restringere ulteriormente lo spettro degli impulsi a raggi X emessi da queste sorgenti. A differenza dei laser standard, che generano luce di un unico colore e lunghezza d'onda, Le sorgenti di raggi X generalmente producono impulsi con un ampio spettro di diverse lunghezze d'onda. Impulsi più nitidi potrebbero presto guidare applicazioni che in precedenza non erano realizzabili. Ciò include la verifica delle costanti fisiche e la misurazione di lunghezze e tempi in modo ancora più preciso di quanto sia possibile ottenere attualmente.

I ricercatori usano la luce e altre radiazioni elettromagnetiche per sviluppare nuovi materiali al lavoro nell'elettronica, automobili, aerei o centrali elettriche, così come per studi su biomolecole come la funzione proteica. La radiazione elettromagnetica è anche lo strumento prescelto per osservare reazioni chimiche e processi fisici nelle gamme micro e nano. Diversi tipi di spettroscopia utilizzano diverse lunghezze d'onda individuali per stimolare oscillazioni caratteristiche in componenti specifici di una struttura. Quali lunghezze d'onda interagiscono con la struttura – i fisici usano il termine risonanza – ci dice qualcosa sulla loro composizione e su come sono costruite; Per esempio, come gli atomi all'interno di una molecola sono disposti nello spazio.

A differenza della luce visibile, che ha un'energia molto più bassa, i raggi X possono innescare la risonanza non solo nel guscio elettronico di un atomo, ma anche nel profondo del nucleo atomico, suo nucleo. La spettroscopia a raggi X fornisce quindi una conoscenza unica sui materiali. Inoltre, le risonanze di alcuni nuclei atomici sono molto acute, in linea di principio consentendo misurazioni estremamente precise.

Le sorgenti di raggi X generano lampi ultracorti con un ampio spettro

Sorgenti di raggi X moderne come il laser a elettroni liberi XFEL ad Amburgo e il PETRA III (Amburgo), e le sorgenti di sincrotrone ESRF (Grenoble) sono i primi candidati per effettuare tali studi. I laser a elettroni liberi, in particolare, sono ottimizzati per generare lampi di raggi X molto brevi, che vengono principalmente utilizzati per studiare processi molto veloci nel mondo microscopico di atomi e molecole. Impulsi luminosi ultra brevi, però, a loro volta hanno un ampio spettro di lunghezze d'onda. Di conseguenza, solo una piccola frazione della luce è alla giusta lunghezza d'onda per causare risonanza nel campione. Il resto passa direttamente attraverso il campione, rendendo la spettroscopia di risonanze affilate piuttosto inefficiente.

È possibile generare uno spettro di raggi X molto nitido, ovvero raggi X di una singola lunghezza d'onda, utilizzando filtri; però, poiché ciò comporta la rimozione delle lunghezze d'onda inutilizzate, il segnale di risonanza risultante è ancora debole.

Il nuovo metodo sviluppato dai ricercatori di Heidelberg offre un aumento da tre a quattro volte dell'intensità del segnale di risonanza. Insieme agli scienziati del DESY di Amburgo e dell'ESRF di Grenoble, Kilian Heeg e Jörg Evers della divisione di Christoph Keitel e un team di Thomas Pfeifer del Max Planck Institute for Nuclear Physics di Heidelberg sono riusciti a far contribuire al segnale di risonanza parte della radiazione a raggi X che normalmente non interagirebbe con il campione. Hanno testato con successo il loro metodo sui nuclei di ferro sia all'ESRF di Grenoble che al sincrotrone PETRA III di DESY ad Amburgo.

Una piccola scossa amplifica la radiazione

L'approccio dei ricercatori all'amplificazione dei raggi X si basa sul fatto che, quando i raggi X interagiscono con i nuclei di ferro (o qualsiasi altro nucleo) per produrre risonanza, vengono riemessi dopo un breve ritardo. Questi raggi X riemessi rimangono quindi esattamente di mezza lunghezza d'onda rispetto a quella parte della radiazione che è passata direttamente. Ciò significa che i picchi di un'onda coincidono esattamente con i minimi dell'altra onda, con il risultato che si annullano a vicenda. Questa interferenza distruttiva attenua gli impulsi dei raggi X alla lunghezza d'onda di risonanza, che è anche l'origine fondamentale dell'assorbimento della luce.

"Utilizziamo la finestra temporale di circa 100 nanosecondi prima che i nuclei di ferro emettano nuovamente i raggi X, " spiega il capo progetto Jörg Evers. Durante questa finestra temporale, i ricercatori spostano la lamina di ferro di circa 40 miliardesimi di millimetro (0,4 angstrom). Questa piccola scossa ha l'effetto di produrre un'interferenza costruttiva tra le onde luminose emesse e trasmesse. "È come se due fiumi, le onde su una delle quali sono sfalsate di mezza lunghezza d'onda dalle onde sull'altra, incontrare, "dice Evers, "e sposti uno dei fiumi esattamente di questa distanza." Questo ha l'effetto che, dopo che i fiumi si incontrano, le onde sui due fiumi si muovono a tempo tra loro. I picchi d'onda coincidono con i picchi d'onda e le onde si amplificano, invece di attenuare, l'un l'altro. questo trucco, però, non funziona solo sulla luce alle lunghezze d'onda di risonanza, ma ha anche l'effetto inverso (cioè attenuazione) su una gamma più ampia di lunghezze d'onda intorno alla lunghezza d'onda di risonanza. Kilian Heeg la mette così. "Spremiamo radiazioni a raggi X altrimenti inutilizzate nella risonanza".

Per consentire ai fisici di spostare la lamina di ferro abbastanza velocemente e con sufficiente precisione, è montato su un cristallo piezoelettrico. Questo cristallo si espande o si contrae in risposta a una tensione elettrica applicata. Utilizzando un programma per computer appositamente sviluppato, i ricercatori di Heidelberg sono stati in grado di regolare il segnale elettrico che controlla il cristallo piezoelettrico per massimizzare l'amplificazione del segnale di risonanza.

Applicazioni nella misurazione della lunghezza e negli orologi atomici

I ricercatori vedono una vasta gamma di potenziali applicazioni per la loro nuova tecnica. Secondo Thomas Pfeifer, la procedura amplierà l'utilità di nuove sorgenti di raggi X ad alta potenza per la spettroscopia a raggi X ad alta risoluzione. Ciò consentirà una modellazione più accurata di ciò che accade negli atomi e nelle molecole. Pfeifer sottolinea anche l'utilità della tecnica in metrologia, in particolare per misure di lunghezze ad alta precisione e la definizione quantomeccanica del tempo. "Con i raggi X, è possibile misurare lunghezze 10, 000 volte più preciso rispetto alla luce visibile, " spiega Pfeifer. Questo può essere utilizzato per studiare e ottimizzare nanostrutture come chip per computer e batterie di nuova concezione. Pfeifer prevede anche orologi atomici a raggi X che sono molto più precisi anche dei più avanzati orologi atomici ottici oggi basati sulla luce visibile.

Non ultimo, una migliore spettroscopia a raggi X potrebbe consentirci di rispondere a una delle grandi domande senza risposta della fisica:se le costanti fisiche sono davvero costanti o se cambiano lentamente nel tempo. Se quest'ultimo fosse vero, le linee di risonanza andrebbero alla deriva lentamente nel tempo. Spettri di raggi X estremamente nitidi permetterebbero di determinare se questo è il caso in un periodo relativamente breve.

Evers ritiene che, una volta maturo, la tecnica sarebbe relativamente facile da integrare negli esperimenti di DESY e ESRF. "Dovrebbe essere possibile realizzare un dispositivo delle dimensioni di una scatola da scarpe che possa essere installato rapidamente e, secondo i nostri calcoli, potrebbe consentire un'amplificazione di circa 10 volte, " Aggiunge.