Mentre gli scienziati sondano la natura sempre più precisamente con impulsi laser, ora puntando al regime degli zeptosecondi - un trilionesimo di miliardesimo di secondo e la scala di tempo più veloce misurata - l'ottimizzazione di ogni parametro di quegli impulsi può offrire misurazioni più calibrate di proprietà dinamiche ancora sconosciute. La lunghezza d'onda del laser, durata ed energia di ogni impulso, e la velocità con cui vengono prodotti gli impulsi sono tutti fattori chiave nell'osservazione di dinamiche come i movimenti degli elettroni in tempo reale delle singole molecole insieme al movimento degli atomi costituenti.

Lunga lunghezza d'onda (infrarossi), gli impulsi ad alta energia prodotti centinaia di migliaia di volte al secondo sono ancora molto difficili da produrre. Queste sono condizioni necessarie, però, per la creazione di radiazioni a raggi X con energia sufficiente per superare le interazioni dell'acqua che attualmente limitano l'uso della microscopia a raggi X di esemplari viventi.

Una collaborazione di ricerca europea tra l'Istituto di scienze fotoniche (ICFO), Spagna, e il Max Planck Institute for the Science of Light (MPL), Germania, ora riporta lo sviluppo di tale fonte, producendo impulsi nel medio infrarosso (mid-IR) da 9,6 watt, con una frequenza di ripetizione di 160 kilohertz, utilizzando un'innovativa geometria della fibra e un amplificatore parametrico insieme.

Ogni impulso è costituito da un singolo ciclo dell'onda ottica generata da un gas riempito, fibra di cristallo fotonico a nucleo cavo che non richiede compressione esterna, un'elaborazione del segnale esterno che altri sistemi richiedono tipicamente per produrre tali impulsi puliti. I risultati di questa ricerca saranno presentati durante l'OSA Laser Congress, 1-5 ottobre 2017 a Nagoya, Giappone.

"Il significato del nostro lavoro è il raggiungimento della generazione di impulsi al limite fisico ultimo di un'oscillazione del campo elettrico nel medio IR, e con una potenza senza precedenti, " disse Ugaitz Elu, dottorando all'ICFO e membro del gruppo di ricerca. "Il campo elettrico è riproducibile, stabile dalla fase portante all'involucro, e l'applicazione alla fisica dei campi forti e alla generazione di armoniche elevate dovrebbe portare alle prime forme d'onda isolate nella gamma dei raggi X duri e degli zeptosecondi".

Una parte vitale della produzione di impulsi così brevi riguarda il loro ampliamento e la loro compressione precisa. Per sovrapporre adeguatamente lo spettro delle frequenze, il team ha lavorato per produrre l'onda di impulso ottico finale.

Specchi cinguettanti, che consistono in più rivestimenti sovrapposti per riflettere ciascuna parte degli spettri separatamente, sono spesso utilizzati nei sistemi laser in fibra per ottenere questa compressione esternamente dopo l'allargamento nel nucleo riempito di gas della fibra. Nella regione del medio IR, però, la fibra assorbirebbe l'energia degli impulsi prima di raggiungere qualsiasi tipo di allargamento spettrale e la distruggerebbe. La geometria implementata da Elu e dai suoi collaboratori salta del tutto questo uso di specchi cinguettanti, e raggiunge sia l'allargamento che la compressione nella fibra.

"Qui, abbiamo utilizzato una fibra bandgap fotonica appositamente progettata la cui geometria evita tale assorbimento, " ha detto Elu. "Possiamo ottenere l'allargamento e la compressione nella stessa fibra senza specchi cinguettanti".

I regimi energetici e temporali dimostrati da questa configurazione ottica da tavolo consentono un'ampia gamma di applicazioni, in particolare quelli derivanti dai raggi X duri coerenti che rendono realizzabili.

Avere uno strumento per catturare le dinamiche con tale precisione aprirebbe una finestra per guardare, in tempo reale, i processi subatomici degli elettroni che assorbono ed emettono energia durante le reazioni chimiche. "Il nostro sistema è straordinariamente versatile, " Disse Elu. "Per esempio, lo usiamo per l'autodiffrazione degli elettroni con cui potremmo risolvere tutti gli atomi all'interno di una molecola mentre uno dei suoi legami si rompe".