Disposizione schematica dell'esperimento. I ricercatori inviano un impulso a raggi X da LCLS attraverso un getto di liquido, dove crea atomi eccitati che emettono un impulso di radiazione in un colore distinto che si muove nella stessa direzione. Questo impulso viene riflesso attraverso una serie di specchi disposti ad anello incrociato. La dimensione di questo ciclo è accuratamente impostata in modo che l'impulso ritorni al getto di liquido contemporaneamente a un secondo impulso a raggi X da LCLS. Questo produce un impulso laser ancora più luminoso, che poi prende lo stesso ciclo. Il processo viene ripetuto più volte, e ad ogni ciclo l'impulso laser si intensifica e diventa più coerente. Durante l'ultimo ciclo, uno degli specchi viene commutato rapidamente permettendo a questo impulso laser di uscire. Credito:Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
Dal 1960, quando Theodore Maiman costruì il primo laser a infrarossi al mondo, i fisici sognavano di produrre impulsi laser a raggi X in grado di sondare le scale ultracorte e ultraveloci di atomi e molecole.
Questo sogno è stato finalmente realizzato nel 2009, quando il primo laser a elettroni liberi a raggi X duri al mondo (XFEL), la Linac Coherent Light Source (LCLS) presso lo SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia, produsse la sua prima luce. Una limitazione di LCLS e altri XFEL nella loro normale modalità di funzionamento è che ogni impulso ha una distribuzione della lunghezza d'onda leggermente diversa, e ci può essere variabilità nella lunghezza e nell'intensità dell'impulso. Esistono vari metodi per affrontare questa limitazione, compreso "seminare" il laser a una particolare lunghezza d'onda, ma questi sono ancora inferiori alla purezza della lunghezza d'onda dei laser convenzionali.
Ora, I ricercatori SLAC stanno sviluppando un dispositivo compatto che potrebbe creare impulsi a raggi X di qualità superiore a LCLS con un approccio ispirato ai laser ottici. Il nuovo strumento potrebbe ampliare la portata dei laser a raggi X, aprendo nuove strade sperimentali in aree come la biologia, chimica, scienza dei materiali e fisica. Le loro recenti scoperte sono state pubblicate la scorsa settimana nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .
"Mentre la scienza dei raggi X continua ad avanzare nei prossimi decenni, dobbiamo iniziare a pensare a tecnologie migliori, " afferma il coautore Claudio Pellegrini, un distinto professore emerito di fisica presso l'UCLA e professore a contratto presso lo SLAC il cui lavoro ha gettato le basi scientifiche per lo sviluppo di LCLS. "L'attuale qualità dei nostri impulsi a raggi X potrebbe funzionare per ora, ma per continuare ad andare avanti nel campo dobbiamo continuamente immaginare modi nuovi e migliori per creare migliori impulsi a raggi X".
Nel loop
Al centro di quasi tutti i laser ottici c'è un oscillatore, che introduce i fotoni attraverso una serie di riflessioni speculari che circondano ciò che è noto come mezzo di guadagno, un materiale utilizzato per amplificare la luce, producendo un raggio sempre più intenso ad ogni loop. Infine, un monocromatico, o monocolore, viene rilasciato un raggio laser completamente coerente. L'obiettivo è progettare un oscillatore laser che funzioni con i raggi X, una sfida di lunga data nel campo dei laser.
In questo dispositivo proposto, i ricercatori iniziano inviando un impulso a raggi X iniziale da LCLS lungo la linea di luce. Questo impulso passa attraverso un getto di liquido, dove crea atomi eccitati che producono una piccola quantità di radiazione emessa in un colore distinto che si muove nella stessa direzione. Questo impulso laser viene riflesso attraverso una serie di specchi disposti ad anello. Dopo aver completato il ciclo, l'impulso si unisce a un secondo impulso a raggi X da LCLS producendo un impulso laser ancora più luminoso, che poi prende lo stesso ciclo. Il processo viene ripetuto più volte, e ad ogni ciclo l'impulso laser si intensifica e diventa più coerente. Durante l'ultimo ciclo, uno degli specchi viene commutato rapidamente permettendo a questo impulso laser di uscire.
"Il risultato sarà un impulso laser a raggi X completamente coerente che è più luminoso e pulito di quello creato con un solo XFEL, ", afferma l'autore principale e ricercatore associato dello SLAC Alex Halavanau.
Piccolo ma potente
Il progetto fa parte di uno sforzo triennale che ha recentemente ricevuto finanziamenti dal DOE. Mentre il team continua a sviluppare il dispositivo, inizieranno a testarlo presso LCLS nella prossima corsa sperimentale.
"L'obiettivo è costruire uno strumento compatto presso LCLS che fornisca impulsi laser a raggi X della massima qualità per sondare la materia a livello di atomi e molecole con una precisione senza precedenti, " dice il co-autore Uwe Bergmann, un illustre scienziato del personale dello SLAC.
"Ci sono altri due progetti in corso presso LCLS, XFELO e RAFEL, che mirano a fornire impulsi laser a raggi X di precisione con un oscillatore, "Pellegrini aggiunge, riferendosi a progetti che sono in fase di sviluppo in collaborazione con l'Argonne National Laboratory del DOE e partner industriali attraverso il finanziamento del DOE. "Il nostro dispositivo compatto integrerà questi strumenti molto più grandi e le loro proprietà. Questa ricerca fornirà opportunità entusiasmanti a LCLS per i prossimi decenni".
