I ricercatori dello SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia hanno fatto un nuovo promettente progresso per la "fotocamera elettronica" ad alta velocità del laboratorio che potrebbe consentire loro di "filmare" piccoli, moti ultraveloci di protoni ed elettroni in reazioni chimiche mai viste prima. Tali "film" potrebbero eventualmente aiutare gli scienziati a progettare processi chimici più efficienti, inventare materiali di nuova generazione con nuove proprietà, sviluppare farmaci per combattere le malattie e altro ancora.

La nuova tecnica sfrutta una forma di luce chiamata radiazione terahertz, invece della solita radiazione a radiofrequenza, manipolare i fasci di elettroni utilizzati dallo strumento. Ciò consente ai ricercatori di controllare la velocità con cui la fotocamera scatta le istantanee e, allo stesso tempo, riduce un fastidioso effetto chiamato jitter temporale, che impedisce ai ricercatori di registrare con precisione la sequenza temporale di come cambiano gli atomi o le molecole.

Il metodo potrebbe anche portare a acceleratori di particelle più piccoli:poiché le lunghezze d'onda della radiazione terahertz sono circa cento volte più piccole di quelle delle onde radio, gli strumenti che utilizzano radiazioni terahertz potrebbero essere più compatti.

I ricercatori hanno pubblicato i risultati in Lettere di revisione fisica il 4 febbraio

Una fotocamera veloce

La "fotocamera elettronica" di SLAC, " o strumento di diffrazione elettronica ultraveloce (MeV-UED), utilizza fasci di elettroni ad alta energia che viaggiano vicino alla velocità della luce per scattare una serie di istantanee, essenzialmente un film, di azione tra e all'interno delle molecole. Questo è stato usato, Per esempio, girare un film su come una molecola a forma di anello si rompe quando esposta alla luce e studiare i processi a livello di atomo nella fusione del tungsteno che potrebbero influenzare i progetti dei reattori nucleari.

La tecnica funziona sparando grappoli di elettroni su un oggetto bersaglio e registrando come gli elettroni si disperdono quando interagiscono con gli atomi del bersaglio. I gruppi di elettroni definiscono la velocità dell'otturatore della fotocamera elettronica. Più corti sono i grappoli, più veloci sono i movimenti che possono catturare in un'immagine nitida.

"È come se il bersaglio fosse congelato nel tempo per un momento, " dice Emma Snively di SLAC, che ha guidato il nuovo studio.

Per tale motivo, gli scienziati vogliono che tutti gli elettroni di un gruppo colpiscano un bersaglio il più vicino possibile contemporaneamente. Lo fanno dando agli elettroni sul retro un piccolo aumento di energia, per aiutarli a raggiungere quelli in testa.

Finora, i ricercatori hanno utilizzato le onde radio per fornire questa energia. Ma la nuova tecnica sviluppata dal team SLAC presso la struttura MeV-UED utilizza invece la luce a frequenze terahertz.

Perché terahertz?

Un vantaggio chiave dell'uso della radiazione terahertz risiede nel modo in cui l'esperimento accorcia i fasci di elettroni. Nella struttura MeV-UED, gli scienziati sparano un laser a un elettrodo di rame per staccare gli elettroni e creare fasci di grappoli di elettroni. E fino a poco tempo fa in genere usavano le onde radio per accorciare questi grappoli.

Però, le onde radio inoltre aumentano ogni grappolo di elettroni a un'energia leggermente diversa, quindi i singoli grappoli variano nella velocità con cui raggiungono il loro obiettivo. Questa variazione temporale è chiamata jitter, e riduce le capacità dei ricercatori di studiare processi veloci e di marcare accuratamente il modo in cui un obiettivo cambia nel tempo.

Il metodo terahertz aggira questo problema dividendo il raggio laser in due. Un raggio colpisce l'elettrodo di rame e crea fasci di elettroni come prima, e l'altro genera gli impulsi di radiazione terahertz per accorciare i fasci di elettroni. Poiché sono stati prodotti dallo stesso raggio laser, fasci di elettroni e impulsi terahertz sono ora sincronizzati tra loro, riducendo il jitter temporale tra i grappoli.

Fino al femtosecondo

Un'innovazione chiave per questo lavoro, dicono i ricercatori, stava creando una cavità dell'acceleratore di particelle, chiamato compressore. Questo pezzo di metallo accuratamente lavorato è abbastanza piccolo da stare nel palmo di una mano. All'interno del dispositivo, Gli impulsi terahertz accorciano i fasci di elettroni e danno loro una spinta mirata ed efficace.

Di conseguenza, il team potrebbe comprimere i fasci di elettroni in modo che durino solo poche decine di femtosecondi, o quadrilionesimi di secondo. Non è la compressione che i metodi convenzionali a radiofrequenza possono ottenere ora, ma i ricercatori affermano che la capacità di ridurre contemporaneamente il jitter rende promettente il metodo terahertz. I compressori più piccoli resi possibili dal metodo terahertz significherebbero anche costi inferiori rispetto alla tecnologia a radiofrequenza.

"I tipici schemi di compressione a radiofrequenza producono grappoli più corti ma jitter molto elevato, "dice Mohamed Othman, un altro ricercatore SLAC del team. "Se produci un mazzo compresso e riduci anche il jitter, allora sarai in grado di catturare processi molto veloci che non siamo mai stati in grado di osservare prima."

Infine, la squadra dice l'obiettivo è comprimere i fasci di elettroni fino a circa un femtosecondo. Gli scienziati potrebbero quindi osservare le tempistiche incredibilmente veloci del comportamento atomico nelle reazioni chimiche fondamentali come la rottura dei legami idrogeno e il trasferimento di singoli protoni tra gli atomi, Per esempio, che non sono completamente compresi.

"Nello stesso momento in cui stiamo studiando la fisica di come questi fasci di elettroni interagiscono con queste intense onde terahertz, stiamo anche costruendo uno strumento che altri scienziati possono usare immediatamente per esplorare materiali e molecole in un modo che prima non era possibile, " dice Emilio Nanni di SLAC, che ha guidato il progetto con Renkai Li, un altro ricercatore SLAC. "Penso che sia uno degli aspetti più gratificanti di questa ricerca".