Generazione e caratterizzazione delle armoniche della finestra d'acqua. Impulsi di lunghezza d'onda di 1,8 mm, Durata 12 secondi, e l'energia di 550 mJ sono concentrati in un ago di diametro esterno di 820 mm riempito con pressioni multiple di gas, con una dimensione dello spot di 40 mm FWHM (A) e una buona qualità spaziotemporale (B). Il pompaggio differenziale mantiene la pressione della camera al di sotto di 10−2 mbar. Le armoniche passano attraverso ottiche diagnostiche opzionali:uno specchio anulare a 45° (C) per riflettere gli impulsi IR per l'analisi o una fenditura mobile (D) per selezionare una fetta delle armoniche per la misurazione della fase spaziale. Le armoniche passano quindi attraverso filtri metallici e una fessura spettrometrica prima di essere rilevate con un reticolo a campo piatto e una fotocamera con dispositivo ad accoppiamento di carica a raggi X (CCD) per il conteggio dei fotoni. VLS, interlinea variabile. Credito: Progressi scientifici (2018). advanceds.sciencemag.org/content/4/5/ear3761
Studiare le azioni fugaci degli elettroni nei materiali organici ora sarà molto più semplice, grazie a un nuovo metodo per la generazione di raggi X veloci.
La tecnica significa che le misurazioni avanzate delle reazioni veloci saranno ora possibili nei laboratori di fisica di tutto il mondo, senza dover aspettare per utilizzare attrezzature costose e scarse. Potrebbe essere usato, Per esempio, studiare e migliorare le tecnologie di raccolta della luce come pannelli solari e separatori d'acqua.
Quando i raggi X "morbidi", oltre il raggio della luce ultravioletta, colpire un oggetto, sono fortemente assorbiti da alcuni tipi di atomi e non da altri. In particolare, l'acqua è trasparente a questi raggi X, ma il carbonio li assorbe, rendendoli utili per l'imaging di materiali organici e biologici.
Però, una sfida è stata quella di generare raggi X molli molto veloci. La creazione di impulsi di raggi X che durano solo un millesimo di milionesimo di milionesimo di secondo consentirebbe ai ricercatori di visualizzare i movimenti estremamente rapidi degli elettroni, cruciale per determinare come avvengono i viaggi e le reazioni della carica.
I raggi X molli veloci sono stati creati con grandi strutture, come i laser a elettroni liberi che costano molti miliardi di dollari, ma ora un gruppo di ricerca dell'Imperial College di Londra ha generato impulsi a raggi X molli veloci e potenti utilizzando laser standard da laboratorio. Il metodo, che può produrre impulsi luminosi di raggi X molli che durano centinaia di attosecondi (quintilionesimi di secondo), è pubblicato oggi in Progressi scientifici .
Con la nuova tecnica, i ricercatori saranno in grado di osservare il movimento degli elettroni sulla loro scala temporale naturale, dando loro un'immagine dinamica delle fasi di reazione più piccole e più veloci.
L'autore senior Professor Jon Marangos, dal Dipartimento di Fisica dell'Imperial, ha dichiarato:"La forza di questa tecnica è che può essere utilizzata da molti laboratori di fisica in tutto il mondo con laser che hanno già installato.
"Questa scoperta ci consentirà per la prima volta di effettuare misurazioni su scale temporali estreme. Siamo alle frontiere di ciò che possiamo misurare, vedere processi più veloci che mai importanti per la scienza e la tecnologia".
La generazione di raggi X in laboratorio richiede atomi eccitanti fino a quando non rilasciano fotoni, particelle di luce. Normalmente, atomi in un lungo, le nubi disperse vengono eccitate in sequenza in modo che emettano fotoni in "fase", il che significa che si sommano e creano un impulso a raggi X più forte. Questo è noto come adattamento di fase.
Ma quando si cerca di generare raggi X molli in questo modo, effetti nella nuvola di atomi sfocano fortemente il laser, interruzione della corrispondenza di fase.
Anziché, il team ha scoperto di aver bisogno di un sottile, densa nuvola di atomi e brevi impulsi laser. Con questa configurazione, mentre i fotoni non potevano rimanere in fase a lunga distanza, erano ancora in fase su una distanza più breve e per un breve periodo. Ciò ha portato a una produzione inaspettatamente efficiente dei brevi impulsi di raggi X molli.
Il team ha ulteriormente misurato e simulato gli effetti esatti che causano un'elevata generazione di armoniche in questa situazione, e da questo sono stati in grado di prevedere le condizioni laser ottimali per la creazione di una gamma di raggi X.
Il ricercatore capo Allan Johnson, dal Dipartimento di Fisica dell'Imperial, ha dichiarato:"Siamo riusciti a guardare all'interno di ciò che era prima della scatola relativamente nera della generazione di raggi X molli, e utilizzare tali informazioni per costruire un laser a raggi X su un tavolo in grado di competere con le strutture che si estendono sui campi di calcio. La conoscenza è letteralmente potere in questo gioco."
Il team dell'Imperial prevede di utilizzare la tecnica per studiare i materiali polimerici organici, in particolare quelli che raccolgono i raggi del sole per produrre energia o per scindere l'acqua. Questi materiali sono oggetto di intenso studio in quanto possono fornire energia rinnovabile più economica.
Però, molti materiali attualmente utilizzati sono instabili o inefficienti, dovuto all'azione di elettroni eccitati dalla luce. Uno studio più approfondito delle interazioni veloci di questi elettroni potrebbe fornire preziose informazioni sui metodi per migliorare le celle solari ei catalizzatori.
