Un laser a elettroni liberi a raggi X (XFEL) è un raggio X prodotto da un fascio di elettroni liberi che sono stati accelerati quasi alla velocità della luce. Gli XFEL producono raggi laser con intensità di potenza di picco estremamente elevata, che li rende attraenti per applicazioni nella ricerca fondamentale, come l'ottica non lineare a raggi X e la determinazione della struttura cristallina delle proteine, e anche in medicina. È importante focalizzare con precisione i raggi XFEL per ottenere prestazioni elevate. I laser sono tipicamente focalizzati usando specchi a riflessione totale; però, gli specchi convenzionali non sono adatti per la formazione di fasci di raggi X inferiori a 10 nm perché tali specchi non possono fornire la grande apertura numerica richiesta. Per superare questo limite, I raggi X possono essere focalizzati utilizzando specchi multistrato. Sfortunatamente, è difficile fabbricare tali specchi multistrato poiché è richiesta una precisione di fabbricazione molto elevata.

Una collaborazione guidata dall'Università di Osaka ha recentemente sviluppato una nuova tecnica per produrre specchi di messa a fuoco multistrato ultraprecisi con una precisione di forma inferiore a 1 nm, che può focalizzare un raggio XFEL a una dimensione inferiore a 10 nanometri.

"Per ottenere un XFEL altamente focalizzato, abbiamo studiato la determinazione del fronte d'onda utilizzando un interferometro a reticolo singolo a raggi X e la correzione diretta della forma degli specchi di focalizzazione multistrato mediante un metodo di deposizione differenziale, ", afferma l'autore principale Satoshi Matsuyama.

Il team ha prima fabbricato specchi di focalizzazione multistrato mediante polverizzazione di magnetron di multistrati di platino e carbonio. Il processo di sputtering è stato finemente controllato utilizzando uno stadio di scansione unidimensionale e un computer. Gli specchi multistrato fabbricati sono stati assemblati in un sistema di focalizzazione del raggio a due stadi. Il fronte d'onda di un raggio XFEL dopo essere passato attraverso il sistema di focalizzazione del raggio è stato quindi misurato utilizzando un interferometro a reticolo per determinare l'aberrazione del fronte d'onda dall'ideale teorico causata dalla deviazione della forma effettiva dello specchio dal progetto previsto.

La forma degli specchi di focalizzazione è stata poi corretta mediante deposizione differenziale. Sono stati confrontati i fronti d'onda prima e dopo la correzione della forma, che ha rivelato che la correzione ha migliorato con successo la qualità degli specchi multistrato per fornire una dimensione del fascio XFEL inferiore a dieci nanometri.

"Prevediamo che gli specchi di focalizzazione multistrato fabbricati dall'approccio stabilito in questo lavoro saranno presto disponibili per l'uso in XFEL e strutture di radiazione di sincrotrone, ", afferma l'autore senior Kazuto Yamauchi. "Questi fasci altamente focalizzati apriranno nuove frontiere nella scienza dei raggi X".

Si prevede che l'elevata intensità XFEL ottenuta utilizzando gli specchi di messa a fuoco multistrato ultraprecisi sviluppati migliorerà le prestazioni delle analisi a raggi X all'avanguardia utilizzando XFEL.