I ricercatori hanno creato una nuova struttura per laser ad alta frequenza presso l'Università di Tokyo. La coerente sorgente di luce ultravioletta estrema può rivelare dettagli di campioni biologici o fisici con una chiarezza senza precedenti. Consente inoltre di indagare su fenomeni dipendenti dal tempo come le reazioni chimiche ultraveloci. Le strutture esistenti per tali indagini richiedono necessariamente enormi acceleratori di particelle e sono proibitive per molti ricercatori. Questa nuova struttura dovrebbe migliorare notevolmente l'accesso per un'ampia gamma di ricercatori.

La luce ultravioletta (UV) del sole aiuta il corpo a produrre vitamina D e fa sì che i pannelli solari generino energia, e i raggi X possono essere utilizzati per l'imaging medico per trovare ossa rotte o altre condizioni. Ma al di là di questi aspetti, La luce UV e i raggi X sono anche strumenti essenziali per l'indagine del mondo fisico. I ricercatori usano queste forme di luce per rivelare dettagli biologici, campioni chimici e fisici come la loro composizione, struttura e comportamento.

Due tipi di luce particolarmente utili per le indagini all'avanguardia sui fenomeni ad azione rapida, come certe reazioni chimiche o processi biologici, sono coerenti impulsi ultravioletti estremi (XUV) e raggi X molli. Queste sono entrambe forme di luce molto precise con parametri finemente controllati, simile agli impulsi laser, cruciale per eseguire buoni esperimenti rigorosi. Però, ci sono alcuni inconvenienti nel modo in cui sono fatte queste travi.

"Le strutture per produrre XUV coerenti e raggi X molli sono enormi macchine basate su acceleratori di particelle, come le versioni più piccole del Large Hadron Collider in Europa, " ha affermato il professor Katsumi Midorikawa dell'UTokyo Institute for Photon Science and Technology e del RIKEN Center for Advanced Photonics. "Data la rarità di queste strutture e le spese per l'esecuzione di esperimenti lì, presenta una barriera a molti che potrebbero desiderare di usarli. Questo è ciò che ha spinto me stesso e i colleghi di UTokyo e RIKEN a creare un nuovo tipo di struttura che speriamo sia molto più accessibile da utilizzare per un numero maggiore di ricercatori".

La nuova struttura di origine XUV è molto, molto più piccolo di quelli che lo hanno preceduto. È ospitato all'interno di un laboratorio sotterraneo relativamente modesto presso l'Università di Tokyo. Il grosso della macchina è un contenitore sottovuoto di 5x2 metri che ospita un anello lungo 100 metri, o risonatore, in cui viene immagazzinata una luce laser ad alta potenza. In due punti di questa bobina ci sono sacche di gas rari che alterano le caratteristiche del laser che passa. Ciò si traduce in due fasci separati di XUV e raggi X molli, che vengono espressi sui campioni sottoposti a indagine. La luce riflessa dai campioni viene quindi letta da sensori di imaging ad alta velocità.

"La vera novità del nostro approccio è che gli impulsi XUV e dei raggi X molli sono estremamente brevi ma si verificano a frequenze molto alte, nella regione dei megahertz, o milioni di cicli al secondo, " disse Midorikawa. "Per la prospettiva, strutture XUV consolidate che utilizzano impulsi di radiazione di sincrotrone nella regione dei megahertz hanno burst più lunghi che sono meno adatti a risolvere fenomeni dinamici. E quelli che utilizzano le cosiddette sorgenti laser a elettroni senza raggi X hanno impulsi brevi, ma offrono basse frequenze da circa 10 hertz a 100 hertz. Quindi la nostra struttura offre il meglio dei due mondi, con l'ulteriore vantaggio di essere solo una frazione delle dimensioni e con costi operativi molto inferiori."

Questa nuova sorgente XUV offre impulsi ultracorti, utile per sondare fenomeni veloci, e alte frequenze, utile per studiare la struttura e le proprietà chimiche della materia. Ciò è possibile grazie al processo che crea gli impulsi mentre il laser interagisce con il gas. Si chiama generazione di armoniche di ordine superiore, e l'impianto è il primo del suo genere in grado di produrre più raggi XUV e raggi X molli.

"Lavoro nel campo della generazione e dell'applicazione XUV da 30 anni. Sebbene la generazione di armoniche di ordine elevato abbia portato un passo avanti in questo campo, l'efficienza di generazione e il tasso di ripetizione degli impulsi erano ancora insufficienti per molte applicazioni, " ha detto Midorikawa. "Quando ho proposto l'idea di questa struttura ai miei colleghi, si sono subito interessati e siamo stati in grado di acquisire un budget adeguato per completarlo. Speriamo tutti che questo apra la porta a nuove ricerche da parte di scienziati dei materiali, chimici e biologi che possono finalmente accedere a questo straordinario e potente strumento di indagine".