I ricercatori dello SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia hanno inventato un modo per osservare i movimenti degli elettroni con potenti lampi laser a raggi X di soli 280 attosecondi, o miliardesimi di miliardesimo di secondo, lungo.

La tecnologia, chiamata generazione di impulsi ad attosecondi potenziata dal laser a raggi X (XLEAP), è un grande progresso verso il quale gli scienziati stanno lavorando da anni, e apre la strada a studi rivoluzionari su come gli elettroni che accelerano attorno alle molecole avviano processi cruciali in biologia, chimica, scienza dei materiali e altro ancora.

Il team ha presentato oggi il proprio metodo in un articolo in Fotonica della natura .

"Fino ad ora, potremmo osservare con precisione i moti dei nuclei atomici, ma i movimenti degli elettroni molto più veloci che in realtà guidano le reazioni chimiche sono stati offuscati, " ha detto lo scienziato SLAC James Cryan, uno degli autori principali dell'articolo e ricercatore presso lo Stanford PULSE Institute, un istituto congiunto di SLAC e Stanford University. "Con questo anticipo, saremo in grado di utilizzare un laser a raggi X per vedere come si muovono gli elettroni e come ciò pone le basi per la chimica che segue. Spinge le frontiere della scienza ultraveloce."

Gli studi su questi tempi potrebbero rivelare, Per esempio, come l'assorbimento della luce durante la fotosintesi spinge quasi istantaneamente gli elettroni e avvia una cascata di eventi molto più lenti che alla fine generano ossigeno.

"Con XLEAP possiamo creare impulsi a raggi X con la giusta energia che sono oltre un milione di volte più luminosi degli impulsi ad attosecondi di energia simile prima, " ha affermato lo scienziato SLAC Agostino Marinelli, Responsabile del progetto XLEAP e uno degli autori principali del documento. "Ci permetterà di fare così tante cose che le persone hanno sempre voluto fare con un laser a raggi X, e ora anche su scale temporali ad attosecondi".

Un salto nella scienza dei raggi X ultraveloci

Un attosecondo è un periodo di tempo incredibilmente breve:due attosecondi sta a un secondo come un secondo sta all'età dell'universo. Negli ultimi anni, gli scienziati hanno fatto molti progressi nella creazione di impulsi a raggi X ad attosecondi. Però, questi impulsi o erano troppo deboli o non avevano l'energia giusta per concentrarsi sui movimenti veloci degli elettroni.

Negli ultimi tre anni, Marinelli e i suoi colleghi hanno cercato di capire come un metodo laser a raggi X suggerito 14 anni fa potrebbe essere utilizzato per generare impulsi con le giuste proprietà, uno sforzo che ha portato a XLEAP.

Negli esperimenti effettuati poco prima che gli equipaggi iniziassero a lavorare su un importante aggiornamento del laser a raggi X Linac Coherent Lightsource (LCLS) di SLAC, il team XLEAP ha dimostrato di essere in grado di produrre coppie di impulsi a raggi X ad attosecondi sincronizzati con precisione in grado di mettere in movimento gli elettroni e quindi registrare tali movimenti. Queste istantanee possono essere messe insieme in film d'azione.

Linda Giovane, un esperto in scienza dei raggi X presso l'Argonne National Laboratory del DOE e l'Università di Chicago che non è stato coinvolto nello studio, disse, "XLEAP è davvero un grande progresso. I suoi impulsi a raggi X ad attosecondi di intensità e flessibilità senza precedenti sono uno strumento rivoluzionario per osservare e controllare il movimento degli elettroni nei singoli siti atomici in sistemi complessi".

I laser a raggi X come LCLS generano abitualmente lampi di luce che durano pochi milionesimi di miliardesimo di secondo, o femtosecondi. Il processo inizia con la creazione di un fascio di elettroni, che vengono impacchettati in brevi grappoli e inviati attraverso un acceleratore di particelle lineare, dove acquistano energia. Viaggiando quasi alla velocità della luce, passano attraverso un magnete noto come ondulatore, dove parte della loro energia viene convertita in esplosioni di raggi X.

Più corti e luminosi sono i fasci di elettroni, più brevi sono le raffiche di raggi X che creano, quindi un approccio per produrre impulsi a raggi X ad attosecondi è quello di comprimere gli elettroni in gruppi sempre più piccoli con un'elevata luminosità di picco. XLEAP è un modo intelligente per fare proprio questo.

Produzione di impulsi laser a raggi X ad attosecondi

In LCLS, il team ha inserito due serie di magneti davanti all'ondulatore che ha permesso loro di modellare ogni grappolo di elettroni nella forma richiesta:un intenso, picco stretto contenente elettroni con un'ampia gamma di energie.

"Quando inviamo queste punte, che hanno una durata dell'impulso di circa un femtosecondo, attraverso l'ondulatore, producono impulsi a raggi X molto più brevi di così, " disse Giuseppe Duris, uno scienziato dello staff SLAC e co-autore di articoli. Gli impulsi sono anche estremamente potenti, Egli ha detto, con alcuni di loro che raggiungono mezzo terawatt di potenza di picco.

Per misurare questi impulsi a raggi X incredibilmente brevi, gli scienziati hanno progettato un dispositivo speciale in cui i raggi X sparano attraverso un gas e strappano alcuni dei suoi elettroni, creando una nuvola di elettroni. La luce polarizzata circolarmente da un laser a infrarossi interagisce con la nuvola e dà un calcio agli elettroni. A causa della particolare polarizzazione della luce, alcuni degli elettroni finiscono per muoversi più velocemente di altri.

"La tecnica funziona in modo simile a un'altra idea implementata in LCLS, che mappa il tempo su angoli come le braccia di un orologio, " disse Siqi Li, un co-primo autore di articoli e recente dottorato di ricerca a Stanford. "Ci permette di misurare la distribuzione delle velocità e delle direzioni degli elettroni, e da questo possiamo calcolare la lunghezza dell'impulso dei raggi X."

Prossimo, il team XLEAP ottimizzerà ulteriormente il proprio metodo, che potrebbe portare a impulsi ancora più intensi e possibilmente più brevi. Si stanno anche preparando per LCLS-II, l'aggiornamento di LCLS che emetterà fino a un milione di impulsi di raggi X al secondo:8, 000 volte più veloce di prima. Ciò consentirà ai ricercatori di fare esperimenti che hanno a lungo sognato, come gli studi di singole molecole e il loro comportamento sulle scale temporali più veloci della natura.