laser a raggi X a elettroni liberi, come la Linac Coherent Light Source (LCLS) presso lo SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia, producono intensi impulsi a raggi X che consentono ai ricercatori di visualizzare oggetti biologici, come proteine ​​e altre macchine molecolari, ad alta risoluzione. Ma questi potenti raggi possono distruggere campioni delicati, innescare cambiamenti che possono influenzare l'esito di un esperimento e invalidare i risultati.

Per combattere questo, i ricercatori usano un metodo chiamato probe-before-destroy, che consente loro di raccogliere informazioni precise dai campioni nell'istante prima che vengano fatti saltare in aria, generare immagini che conservano informazioni sulla struttura molecolare di particelle biologiche come le cellule, proteine ​​e virus. Ma fino a poco tempo fa non era chiaro quanto ci si potesse fidare di questo metodo per misurare il comportamento degli elettroni, poiché i potenti raggi X possono influenzare gli elettroni molto più velocemente degli atomi. Ciò potrebbe limitare l'applicabilità della tecnica ai processi chimici ultraveloci, come quelli coinvolti nella catalisi.

Ora, un team guidato dagli scienziati dello SLAC Roberto Alonso-Mori, Dimosthenis Sokaras e Diling Zhu hanno trovato un modo per avere un'idea precisa di come sintonizzare il raggio di raggi X per assicurarsi che la struttura elettronica non sia danneggiata prima di misurarla, fornendo una maggiore fiducia nei risultati degli esperimenti XFEL. In un primo, il team ha osservato come si comportavano gli elettroni nei primi femtosecondi, o milionesimi di miliardesimo di secondo, dopo che un campione di ferro è stato fatto saltare con intensi impulsi laser. I loro risultati, recentemente pubblicato in Rapporti scientifici , dimostrare come le proprietà specifiche del fascio di raggi X, come la durata o l'intensità dell'impulso, può influenzare gli elettroni più esterni di un atomo, quali sono quelli che partecipano alla creazione e alla rottura dei legami durante le reazioni chimiche.

I risultati consentiranno agli scienziati di mettere a punto esperimenti di pump-probe, in cui un impulso laser avvia una reazione in un campione e un impulso a raggi X misura immediatamente il riarrangiamento degli elettroni. Variando il tempo tra il laser e gli impulsi a raggi X, i ricercatori possono creare una serie di immagini e inserirle in un film in stop-motion di questi piccoli, movimenti veloci, offrendo approfondimenti sulle reazioni chimiche attivate dalla luce.

"Questi esperimenti sono uno strumento chiave nel programma di ricerca del nostro team, " Dice Sokaras. "La capacità di accedere con attenzione alla gamma 'accettabile' di condizioni LCLS ci consentirà di eseguire studi con sonda a pompa che sono affidabili e senza precedenti".

Il team ha lavorato a stretto contatto con il gruppo dell'acceleratore LCLS per fornire impulsi a raggi X ancora più brevi del solito per studiare come gli elettroni si sono riorganizzati nei primi femtosecondi dell'esplosione. Una telecamera a fasci di elettroni, l'XTCAV, è stato determinante per misurare con precisione la lunghezza degli impulsi a raggi X.

Alonso-Mori dice, "Lo studio convalida i metodi che sono stati utilizzati alla LCLS negli ultimi anni, risolvendo il dibattito se siano validi o se i dati raccolti siano già alterati nei primi femtosecondi dagli intensi impulsi di raggi X".

Per dare seguito a questa ricerca, il team spera di sondare la struttura elettronica con un'intensità ancora maggiore, sfruttando i recenti progressi nella modellazione e nel controllo del fascio di raggi X.

"Questo può essere utilizzato per comprendere ulteriormente le fasi iniziali dei processi di formazione di materia calda e densa negli XFEL, "dice Zhu, "che offrono informazioni sulla formazione e l'evoluzione dei sistemi planetari".