Gli impulsi a raggi X duri a femtosecondi sono uno strumento importante per svelare i cambiamenti strutturali della materia condensata sulla lunghezza atomica e sulle scale temporali. Una nuova sorgente di raggi X azionata dal laser fornisce impulsi Kα in rame a femtosecondi a una frequenza di ripetizione di 1 kHz con un flusso senza precedenti di circa 10 ¹² Fotoni di raggi X al secondo.

Processi elementari in fisica, chimica, e la biologia sono collegate a cambiamenti della struttura atomica o molecolare su una scala temporale del femtosecondo (1 femtosecondo (fs) =10 ^-15 secondi). I metodi a raggi X ultraveloci hanno un forte potenziale per seguire i cambiamenti strutturali nello spazio e nel tempo e generare "filmati" dei movimenti degli elettroni, atomi e molecole. Questa prospettiva ha portato a una forte domanda di impulsi a raggi X duri a femtosecondi da applicare nella diffusione dei raggi X e nella spettroscopia.

Esistono due approcci principali per generare impulsi a raggi X duri ultracorti. Le prime sono sorgenti basate su acceleratori e ondulatori di elettroni su larga scala in cui fasci di elettroni a femtosecondi irradiano impulsi di raggi X luminosi. Le seconde sono sorgenti di laboratorio di piccole dimensioni guidate da intensi laser ottici a femtosecondi. Qui, l'accelerazione degli elettroni si verifica nel forte campo elettrico di un impulso ottico e gli impulsi a raggi X sono generati dall'interazione collisionale di tali elettroni con gli atomi di un bersaglio metallico, simile a un tubo a raggi X convenzionale.

I ricercatori del Max Born Institute (MBI) di Berlino hanno ora compiuto un passo avanti nella generazione da tavolo di impulsi a raggi X a femtosecondi dimostrando un treno di impulsi stabile a una frequenza di ripetizione di kilohertz con un flusso totale di circa 10 ¹² Fotoni di raggi X al secondo. Come riportano in Lettere di ottica , la combinazione di un nuovo driver ottico che fornisce impulsi nel medio infrarosso a femtosecondi intorno a una lunghezza d'onda di 5 μm (5000 nm) con un bersaglio a nastro metallico in una geometria di trasmissione consente di generare impulsi a raggi X duri a una lunghezza d'onda di 0,154 nm con un'efficienza molto elevata.

Il driver ottico si basa sull'amplificazione ottica parametrica dell'impulso chirped (OPCPA) e fornisce impulsi di 80 fs a una lunghezza d'onda centrale di 5 μm con un'energia di 3 mJ e una frequenza di ripetizione di 1 kHz. Per generare impulsi a raggi X, gli impulsi del medio infrarosso sono strettamente focalizzati su un sottile bersaglio di rame (Fig 1). In un ciclo ottico del campo ottico, gli elettroni vengono estratti dal nastro di rame, accelerò nel vuoto e tornò al bersaglio. Gli elettroni con un'energia cinetica fino a 100 keV rientrano nel bersaglio e generano impulsi Kα di rame brillante a una lunghezza d'onda di 0,154 nm, accompagnato da spettralmente ampio bremsstrahlung. Il ciclo ottico più lungo degli impulsi nel medio infrarosso rispetto agli impulsi a lunghezze d'onda ottiche più brevi comporta tempi di accelerazione degli elettroni più lunghi, energie cinetiche più elevate, ed eventualmente una maggiore efficienza nella generazione di raggi X (Fig. 2).

La nuova sorgente di raggi X da tavolo raggiunge un numero medio di fotoni Cu-Kα fino a 1,5x10 ⁹ fotoni per impulso nell'intero angolo solido o 1.5x10 ¹² fotoni al secondo (punti blu in Fig 2c). Questo flusso di fotoni è 30 volte superiore rispetto alle sorgenti di raggi X da tavolo comunemente utilizzate guidate da laser Ti:zaffiro alla lunghezza d'onda centrale di 0,8 μm (punti neri in Fig 2c). Tali parametri della sorgente aprono prospettive entusiasmanti per lo studio dei cambiamenti strutturali ultraveloci nella materia condensata mediante diffusione di raggi X risolta nel tempo.