Gli scienziati dello SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia hanno scoperto un modo per triplicare la quantità di energia generata dal laser a raggi X più potente del mondo. La nuova tecnica, sviluppato presso la Linac Coherent Light Source (LCLS) di SLAC, consentirà ai ricercatori di osservare la struttura atomica di molecole e processi chimici ultraveloci che in precedenza non erano rilevabili su scala atomica.

I risultati, pubblicato in uno studio del 3 gennaio in Lettere di revisione fisica ( PRL ), aiuterà ad affrontare i misteri di vecchia data sulla fotosintesi e altri processi chimici fondamentali in biologia, medicina e scienza dei materiali, secondo i ricercatori.

"LCLS produce gli impulsi a raggi X più potenti al mondo, che gli scienziati usano per creare filmati di atomi e molecole in azione, " ha detto Marc Guetg, un ricercatore associato presso SLAC e autore principale dello studio PRL. "La nostra nuova tecnica triplica la potenza di questi brevi impulsi, consentendo un contrasto più elevato."

Movimenti magnetici

Gli impulsi a raggi X a LCLS sono generati alimentando fasci di elettroni ad alta energia attraverso una lunga serie di magneti. Gli elettroni, che viaggiano alla velocità della luce, oscillare avanti e indietro mentre passano lungo i magneti. Questo movimento oscillatorio fa sì che gli elettroni emettano potenti impulsi a raggi X che possono essere utilizzati per l'imaging su nanoscala.

"Quando immagini una struttura atomica, hai una gara in corso, ", ha affermato il coautore dello studio Uwe Bergmann, un illustre scienziato del personale dello SLAC. "Hai bisogno di un impulso a raggi X abbastanza forte da ottenere una buona immagine, ma quell'impulso distruggerà proprio la struttura che stai cercando di misurare. Però, se il polso è abbastanza breve, circa 10 femtosecondi, puoi superare il danno. Puoi scattare la foto prima che il paziente senta il dolore".

Un femtosecondo è un milionesimo di miliardesimo di secondo. La generazione di impulsi a raggi X ad alta potenza che durano solo 10 femtosecondi è stata una grande sfida.

"Il trucco è avere gli elettroni impacchettati insieme il più strettamente possibile quando iniziano a dimenarsi, " ha spiegato Guetg. "È difficile da fare, perché gli elettroni non si piacciono. Sono tutti caricati negativamente, così si respingono. È una battaglia. Cerchiamo costantemente di costringerli a stare insieme, e cercano costantemente di allontanarsi".

Per vincere la battaglia, Guetg e i suoi colleghi SLAC hanno utilizzato una speciale combinazione di magneti progettati per avvicinare gli elettroni prima che inizino a emettere raggi X.

"Un problema quando comprimi gli elettroni è che iniziano a darsi calci a vicenda, " Guetg ha detto. "Di conseguenza, il fascio di elettroni viene inclinato, che altera la produzione di luce e quindi la potenza degli impulsi a raggi X."

Negli studi precedenti, Guetg aveva teorizzato che la correzione dell'inclinazione avrebbe compresso gli elettroni e avrebbe prodotto più brevi, raffiche di raggi X più potenti.

"Il fascio di elettroni ha la forma di una banana, " ha detto il co-autore Zhirong Huang, professore associato allo SLAC e alla Stanford University. "Abbiamo corretto la curvatura della banana per renderla dritta, raggio simile a una matita."

Risultati drammatici

I risultati sono stati drammatici. Raddrizzare il raggio ha aumentato la potenza degli impulsi a raggi X del 300 percento, e ogni impulso è durato solo 10 femtosecondi.

"In modo ingegnoso, Marc e i suoi colleghi sono stati in grado di comprimere questi elettroni come una frittella prima che si allontanassero, " ha detto Bergmann. "Ciò ha permesso loro di creare impulsi di raggi X molto brevi che sono circa 1, 000 volte più potente che se focalizzi tutta la luce solare che colpisce la Terra su un centimetro quadrato. È un potere incredibile".

Bergmann ha già utilizzato la nuova tecnica per creare immagini su nanoscala di metalli di transizione come manganese, che è essenziale per scindere l'acqua per formare molecole di ossigeno (O2) durante la fotosintesi.

"Spingendo la frontiera della scienza laser ora possiamo vedere di più e, si spera, imparare di più sulle reazioni chimiche e sui processi molecolari, " Egli ha detto.

Il team SLAC spera di sfruttare i loro risultati in esperimenti futuri.

"Vogliamo rendere la nuova tecnica operativa e robusta in modo che chiunque possa usarla, "Ha detto Huang. "Vogliamo anche continuare a migliorare la potenza con questa tecnica e altre. Non lo definirei il limite finale".