Uno degli ultimi ostacoli che ostacolano la fotografia e la ripresa di processi che avvengono su una scala di attosecondi, cioè miliardesimi di miliardesimo di secondo, è scomparso. La chiave della sua rimozione risiede nella natura casuale dei processi responsabili della formazione degli impulsi laser a raggi X.

Ci sono solo pochi laser a raggi X nel mondo oggi. Questi sofisticati dispositivi possono essere utilizzati per registrare processi anche estremamente veloci come i cambiamenti negli stati elettronici degli atomi. Gli impulsi generati dai moderni laser a raggi X sono già abbastanza brevi da poter prendere in considerazione l'idea di scattare attofoto o addirittura attofilm. Però, quello che rimaneva un problema era l'ottica a raggi X stessa. Quando un impulso di raggi X ultracorto lascia il laser in cui è stato creato, può essere esteso nel tempo oltre una dozzina di volte.

Un gruppo internazionale di fisici sotto la supervisione del dott. Jakub Szlachetko e della dott.ssa Joanna Czapla-Masztafiak dell'Istituto di fisica nucleare dell'Accademia polacca delle scienze (IFJ PAN) di Cracovia e del dott. Yves Kayser del Physikalisch-Technische Bundesanstalt di Berlino si è dimostrata in Comunicazioni sulla natura che l'ottica a raggi X non dovrebbe più essere un ostacolo. La pubblicazione è il risultato di una ricerca condotta presso il laser a raggi X Linac Coherent Light Source (LCLS) presso lo SLAC National Accelerator Laboratory a Menlo Park, California.

"Il modo migliore per eliminare i problemi con l'ottica a raggi X era... sbarazzarsi dell'ottica a raggi X, " ride il dottor Szlachetko. "Invece di risolvere il problema, abbiamo trovato un modo per aggirarlo. È interessante che abbiamo sostituito l'ottica... per caso. Letteralmente! Abbiamo dimostrato che parametri molto migliori rispetto agli attuali impulsi laser a raggi X possono essere ottenuti con un abile uso di processi di natura stocastica".

Non è il primo caso nella storia dei laser a raggi X in cui la fisica stessa viene in aiuto dei progettisti. Nei laser classici, l'elemento chiave è il risonatore ottico. Questo è un sistema di specchi che rafforza solo i fotoni di una certa lunghezza d'onda, muovendosi in una certa direzione. I laser a raggi X sono stati a lungo considerati impossibili da costruire a causa della mancanza di specchi in grado di riflettere i raggi X. Questo ostacolo è stato eliminato quando si è notato che il risonatore poteva essere sostituito... con la sola fisica relativistica. Quando un elettrone accelerato a una velocità prossima a quella della luce passa lungo un sistema di molti magneti alternativamente orientati, non si muove in linea retta, ma gli gira intorno, perdendo energia allo stesso tempo. Gli effetti relativistici quindi costringono l'elettrone ad emettere fotoni ad alta energia non in una direzione casuale, ma lungo il percorso originario del fascio di elettroni (da cui il nome:Free-Electron Laser-FEL).

Le grandi speranze associate ai laser a raggi X sono dovute al fatto che possono essere utilizzati per registrare reazioni chimiche. Ogni singolo impulso laser può fornire informazioni sullo stato dell'elettrone corrente del sistema osservato (atomo o molecola). Allo stesso tempo, l'energia dell'impulso è così alta che subito dopo aver registrato l'immagine, gli oggetti illuminati cessano di esistere. Fortunatamente, il processo di osservazione può essere ripetuto molte volte. Le immagini raccolte durante una sessione più lunga consentono agli scienziati di ricostruire con precisione tutte le fasi della reazione chimica studiata.

"La situazione può essere paragonata ai tentativi di fotografare eventi dello stesso tipo con una fotocamera flash. Quando scattiamo abbastanza foto di un numero sufficiente degli stessi eventi, possiamo usarli per costruire un film con alta precisione che mostra cosa succede durante un singolo evento, " spiega il Dr. Czapla-Masztafiak e spiega:"Il problema è che gli impulsi generati nei laser a raggi X sorgono nell'emissione stimolata spontaneamente auto-rinforzante e non possono essere completamente controllati".

La natura spontanea degli impulsi significa che nei laser a raggi X i parametri degli impulsi successivi non sono esattamente gli stessi. Gli impulsi compaiono una volta prima, una volta dopo, differiscono anche leggermente nell'energia dei fotoni e nel loro numero. Nell'analogia presentata, ciò corrisponderebbe a una situazione in cui le foto successive vengono scattate con unità flash diverse, Inoltre, attivato in momenti casuali.

L'inevitabile casualità degli impulsi a raggi X ha costretto i fisici a montare apparecchiature diagnostiche ottiche aggiuntive nei laser FEL. Di conseguenza, anche se il laser ha generato un impulso originale della durata di attosecondi, è stato esteso dall'ottica a raggi X ai femtosecondi. Ora si scopre che per registrare gli stati elettronici di atomi o molecole in un modo che consenta la ricostruzione delle reazioni chimiche, non sono necessari impulsi con parametri controllati con precisione.

"La rimozione dell'ottica a raggi X ci ha anche permesso di utilizzare impulsi ad altissima energia per studiare gli effetti non lineari. Ciò significa che gli atomi iniziano ad essere trasparenti ai raggi X ad un certo punto, che a sua volta è associato ad un aumento dell'assorbimento in una diversa gamma di radiazioni, " spiega il dottor Szlachetko.

Il nuovo metodo sarà introdotto in collaborazione con IFJ PAN in esperimenti condotti utilizzando entrambi gli attuali laser a raggi X:European XFEL vicino ad Amburgo (Germania) e SwissFEL a Villigen (Svizzera). Il lavoro relativo alla sperimentazione della nuova tecnica nel contesto degli esperimenti chimici è stato svolto in stretta collaborazione con il Dr. Jacinto Sa dell'Istituto di chimica fisica dell'Accademia polacca delle scienze di Varsavia e dell'Università di Uppsala.

Nell'ambito della tecnica proposta, vale la pena sottolineare che nel caso dell'ottica classica esistono dei limiti puramente fisici legati alla risoluzione degli strumenti ottici, per esempio il famoso limite di diffrazione. Non ci sono limitazioni fisiche nel nuovo metodo, perché non ci sono ottiche. Così, se i laser a raggi X appaiono con impulsi ancora più brevi di quelli attualmente generati, la nuova tecnica può essere utilizzata con successo con loro.