I fisici dell'ETH di Zurigo hanno sviluppato la prima sorgente laser ad alta frequenza di ripetizione che produce raggi X morbidi coerenti che coprono l'intera "finestra d'acqua". Questa svolta tecnologica potrebbe consentire un'ampia gamma di studi in campo biologico, scienze chimiche e dei materiali, così come in fisica.

La capacità di generare impulsi luminosi di durata inferiore al femtosecondo, dimostrato per la prima volta circa 20 anni fa, ha dato origine a un campo completamente nuovo:la scienza e la tecnologia degli attosecondi. Sono emersi sistemi laser da tavolo che consentono studi che in precedenza non erano possibili, permettendo ai ricercatori di seguire, immagine e caratterizzare i processi elettronici negli atomi, molecole e solidi sul loro naturale, tempi ad attosecondi.

I sistemi laser che rendono possibili tali studi operano tipicamente nella banda spettrale dell'ultravioletto estremo. Però, c'è stata a lungo una spinta per ottenere energie fotoniche più elevate. Di particolare interesse è la cosiddetta finestra d'acqua, occupata da raggi X molli con lunghezze d'onda comprese tra 2,2 e 4,4 nm. Quella finestra spettrale deve il suo nome e significato al fatto che a quelle frequenze, i fotoni non vengono assorbiti dall'ossigeno (e quindi dall'acqua), ma sono di carbonio. Questo è l'ideale per studiare molecole organiche e campioni biologici nel loro ambiente acquoso naturale.

Oggi, esiste una manciata di sorgenti ad attosecondi che coprono questa gamma di frequenze, ma la loro applicabilità è limitata da frequenze di ripetizione relativamente basse di 1 kHz o inferiori, che a sua volta significa bassi tassi di conteggio e scarsi rapporti segnale-rumore. Scrivendo in ottica , Justinas Pupeikis e i colleghi del gruppo Ultrafast Laser Physics della Prof.ssa Ursula Keller presso l'Institute for Quantum Electronics hanno segnalato un'innovazione che supera i limiti delle fonti precedenti. Presentano la prima sorgente di raggi X molli che copre l'intera finestra dell'acqua a una frequenza di ripetizione di 100 kHz, un miglioramento centuplicato rispetto alle fonti più moderne.

Una spinta alla capacità tecnologica

Il collo di bottiglia nella produzione di raggi X molli ad alti tassi di ripetizione è stata la mancanza di sistemi laser adatti per guidare il processo chiave alla base della generazione di impulsi ad attosecondi nei sistemi da tavolo. Questo processo è noto come generazione di alte armoniche, e comporta un intenso impulso laser a femtosecondi che interagisce con un bersaglio, tipicamente un gas atomico. La risposta elettronica non lineare del bersaglio provoca quindi l'emissione di impulsi ad attosecondi a un multiplo di ordine dispari della frequenza del campo laser pilota. Per garantire che la risposta contenga fotoni a raggi X che abbracciano l'intervallo della finestra d'acqua, la sorgente a femtosecondi deve operare nella gamma del medio infrarosso. Anche, deve fornire impulsi ad alta potenza di picco. E tutto questo ad alti tassi di ripetizione. Una tale fonte non esisteva finora.

Pupeikis et al. hanno raccolto la sfida e migliorato sistematicamente un layout che avevano già esplorato in lavori precedenti, basato sull'amplificazione ottica parametrica dell'impulso chirped (o OPCPA in breve). Avevano stabilito in precedenza che l'approccio è promettente al fine di realizzare sorgenti nel medio infrarosso ad alta potenza, ma erano ancora necessari miglioramenti sostanziali per raggiungere le prestazioni richieste per la generazione di fotoni a raggi X ad alta armonia nella finestra dell'acqua. In particolare, hanno spinto la potenza di picco dai precedenti 6,3 GW a 14,2 GW, e raggiungevano una potenza media di 25 W per impulsi poco più lunghi di due oscillazioni del campo ottico sottostante (16.5 fs). La potenza di picco dimostrata è la più alta riportata fino ad oggi per qualsiasi sistema ad alto tasso di ripetizione con una lunghezza d'onda superiore a 2 μm (vedi figura, pannello a).

Pronti per la sala radiologica

Con questo livello di prestazioni a loro disposizione, la squadra era pronta per la fase successiva, upconversion di frequenza attraverso la generazione di alte armoniche. Per quello, il raggio di uscita dell'OPPCA è stato indirizzato tramite un sistema a periscopio a un altro laboratorio a più di 15 m di distanza, per adattarsi ai vincoli di spazio del laboratorio locale. Là, il raggio incontrò un bersaglio di elio mantenuto ad una pressione di 45 bar. Tale alta pressione era necessaria per la corrispondenza di fase tra l'infrarosso e la radiazione a raggi X, e quindi un'efficienza di conversione energetica ottimale.

Una volta che tutti i pezzi erano a posto, il sistema consegnato, generazione di raggi X morbidi coerenti che si estendono a un'energia di 620 eV (lunghezza d'onda di 2 nm), che copre l'intera finestra dell'acqua, un risultato straordinario rispetto ad altre sorgenti ad alto tasso di ripetizione in questa gamma di frequenze (vedi figura, pannello b).

Una finestra di opportunità

Questa dimostrazione apre un vasto spettro di nuove opportunità. Imaging coerente nella regione spettrale della finestra d'acqua, molto rilevante per la chimica e la biologia, dovrebbe essere possibile con una configurazione compatta. Allo stesso tempo, l'alto tasso di ripetizione disponibile affronta le limitazioni dovute alla formazione di carica spaziale che affliggono gli esperimenti di fotoemissione con sorgenti pulsate. Inoltre, la finestra d'acqua comprende non solo i bordi K di carbonio, azoto e ossigeno, ma anche i bordi L e M di una gamma di metalli, che ora può essere studiato con maggiore sensibilità o specificità.

Con tali brillanti prospettive, la realizzazione della sorgente preannuncia l'inizio della prossima generazione di tecnologia ad attosecondi, in cui i ricercatori possono utilizzare per la prima volta in modo combinato alti tassi di ripetizione ed elevate energie di fotoni. Una linea di luce ad attosecondi progettata per sfruttare queste nuove capacità è attualmente in costruzione nel laboratorio di Keller.