Nel primo esperimento per sfruttare una nuova tecnologia per la produzione di potenti impulsi laser a raggi X ad attosecondi, un gruppo di ricerca guidato da scienziati dello SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia e della Stanford University ha dimostrato di poter creare increspature elettroniche nelle molecole attraverso un processo chiamato "scattering Raman impulsivo".
Sfruttare questa interazione unica consentirà agli scienziati di studiare come gli elettroni che sfrecciano attorno alle molecole avviano processi chiave in biologia, chimica, scienza dei materiali e altro ancora. I ricercatori hanno descritto i loro risultati in Lettere di revisione fisica .
Tipicamente, quando gli impulsi a raggi X interagiscono con la materia, i raggi X fanno sì che gli elettroni del "nucleo" più interno delle molecole saltino a energie più elevate. Questi stati di eccitazione del nucleo sono altamente instabili, decadendo in appena milionesimi di miliardesimo di secondo. Nella maggior parte degli esperimenti a raggi X, ecco come finisce la storia:gli elettroni eccitati ritornano rapidamente ai loro posti legittimi trasferendo la loro energia a un elettrone vicino, forzandolo fuori dall'atomo e producendo uno ione carico.
Però, con un polso a raggi X sufficientemente breve e intenso, l'atomo può essere costretto a rispondere in modo diverso, aprendo nuovi modi per misurare e controllare la materia. I raggi X possono eccitare l'elettrone del nucleo ma poi anche guidare un elettrone esterno per colmare il divario. Ciò consente alla molecola di entrare in uno stato eccitato mantenendo i suoi atomi in uno stato stabile, stato neutrale. Poiché questo processo Raman si basa su elettroni a livello del nucleo, l'eccitazione elettronica è inizialmente altamente localizzata nella molecola, rendendo più facile individuarne l'origine e seguirne l'evoluzione.
"Se pensi agli elettroni della molecola come a un lago, l'interazione Raman è simile a prendere una roccia e lanciarla nell'acqua, ", afferma il co-autore e scienziato dello SLAC James Cryan. "Questa 'eccitazione' crea onde che si increspano attraverso la superficie da un punto specifico. In un modo simile, Le eccitazioni dei raggi X creano "onde di carica" che si increspano attraverso la molecola. Forniscono ai ricercatori un modo completamente nuovo per misurare la risposta di una molecola alla luce".
Gli impulsi di luce visibile possono anche essere usati per creare molecole di stato eccitato, ma quegli impulsi sono più simili a un piccolo terremoto che increspa l'intera superficie dell'acqua. L'eccitazione impulsiva a raggi X Raman fornisce molte più informazioni sulle proprietà della molecola, l'equivalente di far cadere rocce in vari luoghi per produrre e osservare diversi modelli di increspature.
I precedenti esperimenti LCLS hanno dimostrato il processo Raman negli atomi, ma fino ad ora osservare questo processo nelle molecole è sfuggito agli scienziati. Questo esperimento ha avuto successo grazie ai recenti sviluppi nella produzione di impulsi laser a elettroni liberi (FEL) a raggi X da 10 a 100 volte più brevi di prima. Guidato dallo scienziato SLAC Agostino Marinelli, il progetto X-ray Laser-Enhanced Attosecond Pulse (XLEAP) ha fornito un metodo per generare impulsi intensi che sono solo 280 attosecondi, o miliardesimi di miliardesimo di secondo, lungo. Questi impulsi sono stati fondamentali per il successo dell'esperimento e consentiranno agli scienziati di avviare reazioni chimiche e processi quantistici coerenti in futuro.
"Questo esperimento mette in mostra le proprietà uniche dei FEL ad attosecondi rispetto alle sorgenti ad attosecondi basate su laser all'avanguardia, " dice Marinelli. "Soprattutto, questo esperimento mostra come una stretta collaborazione tra gli scienziati degli acceleratori e la comunità degli utenti possa portare a una nuova entusiasmante scienza".
