Due metodi inventati indipendentemente dagli scienziati della direzione degli acceleratori di SLAC hanno prodotto i primi impulsi laser a raggi X duri ad attosecondi al mondo presso la struttura LCLS del laboratorio. In un metodo, le forme dei fasci di elettroni utilizzati per generare i raggi X sono state manipolate con un campo a radiofrequenza in modo che parte di ciascun fascio (area densa a sinistra) emetta impulsi di raggi X con lunghezze di impulso più brevi che mai. Credito:Yuantao Ding/SLAC National Accelerator Laboratory
Gli esperti di acceleratori del Laboratorio nazionale dell'acceleratore SLAC del Dipartimento dell'energia stanno sviluppando modi per rendere il laser a raggi X più potente che mai. Hanno creato gli impulsi a raggi X più brevi al mondo per catturare i movimenti degli elettroni, così come treni ad altissima velocità di impulsi a raggi X per "filmare" il movimento atomico, e hanno sviluppato programmi per computer "intelligenti" che massimizzano il prezioso tempo sperimentale.
Con i suoi raggi X un miliardo di volte più luminosi di quelli disponibili prima, Linac Coherent Light Source (LCLS) di SLAC ha già rivoluzionato il campo della scienza ultraveloce e ha aperto nuove strade per la ricerca in chimica, biologia e scienza dei materiali. I nuovi sviluppi migliorano ulteriormente le capacità del laser a raggi X.
"La creazione di nuove funzionalità per LCLS è uno sforzo continuo molto importante per SLAC, " disse Axel Brachmann, capo della Divisione Linac e FEL della Direzione Acceleratori del laboratorio, alla riunione degli utenti SSLL/LCLS 2017 di settembre, dove sono stati presentati alcuni di questi sviluppi. "I nostri ingegneri e scienziati stanno lavorando duramente per spingere i limiti di ciò che è tecnologicamente possibile e per assicurarsi che SLAC rimanga un leader mondiale nella scienza dei raggi X".
Il potere di scoperta di LCLS è racchiuso in lampi estremamente luminosi di luce a raggi X, ciascuno della durata di pochi femtosecondi, milionesimi di miliardesimo di secondo. Come una luce stroboscopica che congela i movimenti troppo velocemente per essere visti ad occhio nudo, questi lampi catturano immagini di nuclei atomici che si muovono rapidamente in molecole e materiali. Ma i ricercatori vorrebbero andare oltre e filmare i movimenti ancora più veloci degli elettroni di un atomo.
"Questi movimenti ultraveloci sono fondamentali perché pongono le basi per tutti i processi più lenti, " dice lo scienziato Yuantao Ding. "Tuttavia, si verificano in meno di un femtosecondo, e abbiamo bisogno di una "fotocamera" più veloce per catturarli."
Due squadre SLAC, guidato da Ding e dal fisico acceleratore Agostino Marinelli, ora hanno compiuto un passo importante in quella direzione. Hanno dimostrato due metodi indipendenti per la generazione di impulsi a raggi X di poche centinaia di attosecondi, o miliardesimi di miliardesimo di secondo, stabilendo un record per i laser a raggi X.
Entrambi i gruppi hanno manipolato i grappoli fitti di elettroni che volano attraverso uno speciale set di magneti, chiamato un ondulatore, per generare impulsi a raggi X LCLS. Hanno ottimizzato i grappoli in modo che solo una parte di ciascun grappolo emettesse luce laser a raggi X, con conseguente durata dell'impulso molto più breve.
"Questo è un grande passo avanti, e in realtà utilizza metodi relativamente semplici per generare impulsi ad attosecondi di raggi X con energia relativamente alta, " dice Marinelli. " Per andare ancora oltre, Gli utenti LCLS vogliono utilizzare raggi X più morbidi per consentire loro di studiare gli elettroni esterni di un atomo, quali sono quelli coinvolti nelle reazioni chimiche. Si scopre che la creazione di impulsi di attosecondi a raggi X morbidi è un processo molto più complesso".
Questa illustrazione mostra come tre raggi X pulsano con diverse energie, o colori, sono generati con la tecnica del fresh-slice da un singolo fascio di elettroni attraversando tre sezioni separate di uno speciale magnete, chiamato ondulatore. Credito:Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
Ecco perché Marinelli e altri stanno lavorando a un terzo metodo, chiamati impulsi di attosecondi potenziati dal laser a raggi X (XLEAP). In questo approccio i fasci di elettroni interagiscono con un laser a infrarossi all'interno dell'ondulatore e vengono tagliati in fette sottili. Le simulazioni suggeriscono che questo metodo, che è attualmente in fase di test presso LCLS, può produrre impulsi a raggi X morbidi lunghi solo 500 attosecondi.
Nuovi modi di filmare gli atomi con più flash a raggi X
Per realizzare filmati di processi ultraveloci presso LCLS, i ricercatori utilizzano la tecnica pump-probe, in cui colpiscono un campione con un impulso di "pompa" da un laser convenzionale per innescare una risposta atomica e quindi esaminano la risposta con un impulso di "sonda" dal laser a raggi X. Variando l'intervallo di tempo tra i due impulsi, possono creare un film d'azione che mostra come la struttura atomica del campione cambia nel tempo.
Funziona bene finché il processo, come la rottura di un legame chimico in una molecola, può essere avviato con un laser convenzionale che emette visibile, luce infrarossa o ultravioletta. Però, alcune reazioni possono essere innescate solo dalle energie più elevate degli impulsi di luce dei raggi X.
In linea di principio, questi esperimenti potrebbero essere fatti alla LCLS ora, ma il tempo tra gli impulsi limiterebbe gli studi a processi più lenti di 8 millisecondi. Anche con il futuro aggiornamento LCLS-II, che "scatterà" fino a un milione di impulsi al secondo, questo limite sarebbe ancora un microsecondo. Perciò, i fisici degli acceleratori stanno inventando metodi che generano treni di raggi X ad altissima velocità per l'esplorazione di processi molto più veloci.
"SLAC sta testando e implementando una serie di tecniche multi-impulso per esperimenti con sonda a pompa di raggi X con raggi X morbidi e duri, come l'ondulatore diviso, doppio mazzo, schemi a fette fresche e a due secchi, " afferma lo scienziato dello staff Alberto Lutman. "Insieme coprono un'ampia gamma di ritardi di impulso molto brevi - dal ritardo zero, il che significa che gli impulsi a raggi X della pompa e della sonda colpiscono il campione contemporaneamente, a ritardi di pochi femtosecondi, e poi fino a più di 100 nanosecondi tra gli impulsi".
Lutman sta guidando lo sviluppo della tecnica della fetta fresca, in cui la testa, la coda e il centro di un singolo gruppo di elettroni possono produrre impulsi di raggi X separati in sezioni separate dell'ondulatore. "Questo è un metodo estremamente flessibile, " dice. "Ci permette di variare finemente il ritardo tra gli impulsi, e ci consente anche di modificare individualmente il colore e la polarizzazione di ciascun impulso a raggi X".
Esperimenti con impulsi di più colori, o energie dei raggi X, Potere, Per esempio, migliorare i dettagli negli studi delle strutture atomiche 3-D e delle funzioni delle molecole, come proteine importanti dal punto di vista medico. Il metodo Fresh-Slice ha anche il potenziale per aumentare la potenza di impulsi a raggi X estremamente brevi, ed è stato utilizzato nelle tecniche di semina che migliorano le prestazioni del laser a raggi X rendendo la sua luce meno rumorosa.
I programmi per computer intelligenti migliorano l'efficienza delle operazioni e delle ottimizzazioni del laser a raggi X, consentendo un aumento del tempo sperimentale e potenzialmente portando a nuovi tipi di esperimenti. Credito:Terry Anderson/SLAC National Accelerator Laboratory
La maggior parte dei metodi multi-impulso è stata dimostrata per sequenze rapide di due o tre lampi di raggi X, ma l'uso di ancora più impulsi è all'orizzonte. Un team guidato dal fisico dell'acceleratore Franz-Josef Decker sta attualmente lavorando a una tecnica che utilizza più impulsi laser per la generazione di treni fino a otto impulsi a raggi X. Ciò consentirebbe ai ricercatori di seguire la complessa evoluzione di come un materiale risponde agli urti ad alta pressione, per esempio nello studio delle collisioni di meteoriti.
Controllo "intelligente" di una complessa macchina di scoperta
Alla base di tutte le ricerche di cui sopra c'è la necessità di trovare nuovi modi per eseguire LCLS nel modo più efficiente in modo da poter ospitare più esperimenti. La struttura è uno dei soli cinque laser a raggi X duri operanti nel mondo, e l'accesso ad esso è estremamente competitivo. Un modo per aumentare la quantità di tempo sperimentale consiste nel ridurre al minimo il tempo impiegato a mettere a punto la macchina per soddisfare le esigenze di esperimenti specifici.
"Ogni anno dedichiamo molte ore all'ottimizzazione della macchina, che comporta noiose regolazioni di un gran numero di magneti LCLS, ", afferma lo scienziato dello staff dello SLAC Daniel Ratner. "Vogliamo automatizzare questa procedura per liberare il tempo per le attività che richiedono effettivamente il coinvolgimento umano".
Fino a circa un anno fa, lui dice, tutta la messa a punto è stata eseguita manualmente. Ora è fatto con l'ausilio di computer, che ha già dimezzato i tempi di ottimizzazione. Ma gli esperti di acceleratori del laboratorio vogliono portare l'automazione al livello successivo utilizzando un tipo di intelligenza artificiale noto come "apprendimento automatico", un approccio in cui i programmi per computer "intelligenti" imparano dalle precedenti ottimizzazioni laser a raggi X invece di ripetere la stessa routine ogni tempo.
"Ciò porterà a significativi risparmi aggiuntivi di tempo, "dice il fisico dell'acceleratore Joseph Duris, che guida l'iniziativa di apprendimento automatico della direzione degli acceleratori di SLAC. "Algoritmi di ottimizzazione più intelligenti ci aiuteranno anche a esplorare configurazioni LCLS completamente nuove per prepararci a futuri esperimenti".
Ultimo, ma non per importanza, l'apprendimento automatico aiuterà il laboratorio a far funzionare in modo efficiente due complessi laser a raggi X fianco a fianco quando l'aggiornamento LCLS-II sarà completo.
