Le moderne strutture laser a raggi X come la Linac Coherent Light Source (LCLS) presso lo SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia consentono agli scienziati di studiare come si comporta la natura su scale ultrapiccole e ultraveloci. Però, i singoli impulsi radiografici sono instabili, fluttuando da un tiro all'altro, e producono molto rumore di fondo che può oscurare il segnale negli esperimenti ad alta risoluzione.

Ora, Gli scienziati SLAC hanno sviluppato un metodo per produrre raggi X più luminosi, più stabili e coerenti, con lunghezze d'onda più sincronizzate tra loro. Ciò potrebbe aumentare l'efficienza della raccolta dei dati e aprire la strada a nuovi tipi di esperimenti. I loro risultati sono stati recentemente pubblicati in Lettere di revisione fisica .

Strumenti per la scienza

Negli ultimi anni, il team ha cercato modi per migliorare le prestazioni della LCLS migliorando la qualità dei suoi impulsi.

"Produrre un laser a raggi X perfetto è uno degli obiettivi finali della nostra comunità". dice il co-autore e scienziato dello SLAC Zhen Zhang. "Volevamo trovare un modo per rendere gli impulsi a raggi X simili a quelli di un classico laser ottico, che sono allo stesso tempo stabili e coerenti."

Bob Schoenlein, LCLS Vice per la Scienza, afferma che questa ricerca renderà gli XFEL strumenti ancora più importanti e versatili per la scienza.

"Questo è un approccio molto promettente per controllare le proprietà di coerenza degli impulsi a raggi X LCLS, ", afferma. "Consentirà studi su materiali complessi e sistemi molecolari con una risoluzione eccezionale sia in termini di tempo che di energia".

Il meglio di entrambi i mondi

I ricercatori stavano studiando gli approcci esistenti per generare impulsi di raggi X più puliti, come filtrare gli impulsi rumorosi e re-iniettarli nell'XFEL utilizzando un concetto chiamato "self-seeding, " ma ha scoperto che esiste un compromesso fondamentale tra impulsi altamente coerenti e quelli altamente stabili. Nel metodo tradizionale di auto-semina, non era possibile avere entrambi contemporaneamente.

Si resero conto che avevano bisogno di adottare un approccio completamente diverso per eludere questo problema. Fu allora che l'autore principale e scienziato dello SLAC Erik Hemsing ebbe l'idea di allungare gli impulsi a raggi X ultracorti, le cui proprietà uniche consentono ai ricercatori di stabilizzare e purificare gli impulsi.

"Invece di filtrare il lungo, impulsi rumorosi come si fa nell'auto-semina convenzionale, ci siamo resi conto che dovremmo invece prima produrre impulsi coerenti ultracorti e poi allungarli e amplificarli, " Hemsing dice. "In questo modo, secondo i nostri studi, siamo in grado di aumentare significativamente la stabilità e la coerenza allo stesso tempo."

Il concetto si basa sul fatto che gli impulsi ultracorti possono essere molto meno rumorosi e più coerenti degli impulsi lunghi, soprattutto se raggiungono la loro massima potenza. Il problema è che gli impulsi brevi non trasportano molta energia e non sono ideali per alcune applicazioni scientifiche ad alta risoluzione. I ricercatori hanno trovato un modo per filtrare questi impulsi, poi amplificarli di un fattore 10, 000.

"Ci permette di ottenere i risultati desiderati senza grosse modifiche al setup esistente, ", afferma il coautore e ricercatore associato dello SLAC Alex Halavanau.

Mettendolo alla prova

Per dare seguito a questa ricerca, il team spera di testare l'idea alla LCLS. Nel futuro, Halavanau dice, vorrebbero estendere la tecnica a raggi X "duri" più energetici, e usa il nuovo, impulsi di raggi X morbidi personalizzati abilitati da questa tecnica per comprendere meglio la fisica degli atomi, fotoni ed elettroni.

Zhirong Huang, direttore della SLAC Accelerator Research Division, afferma:"Non vediamo l'ora di mettere in pratica questa idea nel nuovo ondulatore a raggi X molli che sarà presto online per LCLS-II".