I laser a elettroni liberi a raggi X (XFEL) producono fasci di luce incredibilmente potenti che consentono studi senza precedenti dei movimenti ultraveloci degli atomi nella materia. Per interpretare i dati rilevati con queste straordinarie sorgenti luminose, i ricercatori hanno bisogno di una solida comprensione di come gli impulsi a raggi X interagiscono con la materia e di come tali interazioni influenzino le misurazioni.

Ora, le simulazioni al computer degli scienziati del Laboratorio nazionale dell'acceleratore SLAC del Dipartimento dell'energia suggeriscono che un nuovo metodo potrebbe trasformare le fluttuazioni casuali nell'intensità degli impulsi laser da un fastidio in un vantaggio, facilitare gli studi di queste interazioni fondamentali. Il segreto sta nell'applicare un metodo noto come "immagini fantasma, " che ricostruisce l'aspetto degli oggetti senza mai registrarne direttamente le immagini.

"Invece di cercare di rendere gli impulsi XFEL meno casuali, che è l'approccio che più spesso perseguiamo per i nostri esperimenti, in realtà vogliamo usare la casualità in questo caso, ", ha affermato James Cryan dello Stanford PULSE Institute, un istituto congiunto della Stanford University e SLAC. "I nostri risultati mostrano che così facendo, possiamo aggirare alcune delle sfide tecniche associate all'attuale metodo per studiare le interazioni dei raggi X con la materia".

Il team di ricerca ha pubblicato i risultati in Revisione fisica X .

Approfittando dei picchi di raggi X

Gli scienziati comunemente osservano queste interazioni attraverso esperimenti di pump-probe, in cui inviano coppie di impulsi a raggi X attraverso un campione. Il primo impulso, chiamato impulso della pompa, riorganizza la distribuzione degli elettroni nel campione. Il secondo impulso, chiamato impulso sonda, indaga gli effetti che questi riarrangiamenti hanno sui moti degli elettroni e dei nuclei atomici del campione. Ripetendo l'esperimento con ritardi di tempo variabili tra gli impulsi, i ricercatori possono realizzare un film in stop-motion del piccolo, movimenti veloci.

Una delle sfide è che i laser a raggi X generano impulsi di luce in un processo casuale, in modo che ogni impulso sia in realtà un treno di sottili picchi di raggi X le cui intensità variano casualmente tra gli impulsi.

"Gli esperimenti con le sonde della pompa richiedono quindi in genere che prima si preparino ben definiti, impulsi brevi meno casuali, " ha detto Daniel Ratner di SLAC, l'autore principale dello studio. "Inoltre, dobbiamo controllare molto bene il ritardo tra loro".

Nel nuovo approccio, Egli ha detto, "Non dovremmo preoccuparci di nulla di tutto ciò. Useremmo gli impulsi a raggi X man mano che escono dall'XFEL senza ulteriori modifiche".

Infatti, in questo nuovo modo di pensare ogni coppia di punte all'interno di un singolo impulso di raggi X può essere considerata una coppia di impulsi di pompa e sonda, così i ricercatori hanno potuto eseguire molte misurazioni della sonda della pompa con un singolo scatto dell'XFEL.

Scattare istantanee spettrali

Per produrre istantanee dei movimenti molecolari di un campione con questo metodo, Ratner e i suoi collaboratori vogliono applicare la tecnica dell'imaging fantasma.

Nell'imaging convenzionale, la luce che cade su un oggetto produce un'immagine bidimensionale su un rilevatore, sia che si tratti della parte posteriore dell'occhio, il sensore megapixel del telefono cellulare o un rilevatore di raggi X avanzato. Immagini fantasma, d'altra parte, costruisce un'immagine analizzando come i modelli casuali di luce che brillano sull'oggetto influenzano la quantità totale di luce che esce dall'oggetto.

"Nel nostro metodo, i modelli casuali sono le strutture di picco fluttuanti dei singoli impulsi XFEL, " ha detto il co-autore Siqi Li, uno studente laureato presso SLAC e Stanford e autore principale di uno studio precedente che ha dimostrato l'imaging fantasma utilizzando gli elettroni. "Per fare la ricostruzione dell'immagine, dobbiamo ripetere l'esperimento molte volte - circa 100, 000 volte nelle nostre simulazioni. Ogni volta, misuriamo il profilo dell'impulso con uno strumento diagnostico e analizziamo il segnale emesso dal campione."

In un processo computazionale che prende in prestito idee dall'apprendimento automatico, i ricercatori possono quindi trasformare questi dati in una visualizzazione degli effetti dell'impulso a raggi X sul campione.

Uno strumento complementare

Finora, la nuova idea è stata testata solo in simulazioni e attende la validazione sperimentale, per esempio al laser a raggi X Linac Coherent Light Source (LCLS) di SLAC, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE. Ancora, i ricercatori sono già convinti che il loro metodo possa integrare gli esperimenti convenzionali con pompa-sonda.

"Se i test futuri avranno successo, il metodo potrebbe rafforzare la nostra capacità di osservare processi fondamentali negli esperimenti XFEL, "Ha detto Ratner. "Offrerebbe anche alcuni vantaggi che vorremmo esplorare." Questi includono una maggiore stabilità, ricostruzione dell'immagine più veloce, meno danni ai campioni e la prospettiva di eseguire esperimenti in tempi sempre più rapidi.