Rappresentazione artistica dell'esperimento. Il ritardo intrinseco tra l'emissione dei due tipi di elettroni porta ad una caratteristica ellisse nei dati analizzati. In linea di principio, la posizione dei singoli punti dati attorno all'ellisse può essere letta come le lancette di un orologio per rivelare l'esatto tempismo dei processi dinamici. Credito:Daniel Haynes / Jörg Harms
I laser a elettroni liberi a raggi X duri (XFEL) hanno fornito intense, impulsi a raggi X ultracorti per oltre un decennio. Una delle applicazioni più promettenti degli XFEL è in biologia, dove i ricercatori possono catturare immagini su scala atomica anche prima che il danno da radiazioni distrugga il campione. In fisica e chimica, questi raggi X possono anche far luce sui processi più veloci che si verificano in natura con una velocità dell'otturatore che dura solo un femtosecondo, equivalente a un milionesimo di miliardesimo di secondo.
Però, su questi tempi minuscoli, è estremamente difficile sincronizzare l'impulso di raggi X che innesca una reazione nel campione da un lato e l'impulso laser che lo 'osserva' dall'altro. Questo problema è chiamato jitter temporale, ed è un grosso ostacolo negli sforzi in corso per eseguire esperimenti risolti nel tempo presso gli XFEL con una risoluzione sempre più breve.
Ora, un grande gruppo di ricerca internazionale che coinvolge collaboratori del MPSD e del DESY di Amburgo, l'Istituto Paul Scherrer in Svizzera, e altre istituzioni in sette paesi hanno sviluppato un metodo per aggirare questo problema agli XFEL e ne hanno dimostrato l'efficacia misurando un processo di decadimento fondamentale nel gas neon. Il lavoro è stato pubblicato su Fisica della natura .
Molti sistemi biologici, e alcuni non biologici, subiscono danni quando vengono eccitati da un impulso a raggi X proveniente da un XFEL. Una delle cause del danno è il processo noto come decadimento Auger. L'impulso a raggi X espelle fotoelettroni dal campione, portando alla loro sostituzione con elettroni nei gusci esterni. Quando questi elettroni esterni si rilassano, rilasciano energia che può in seguito indurre l'emissione di un altro elettrone, noto come elettrone Auger. Il danno da radiazioni è causato sia dagli intensi raggi X che dalla continua emissione di elettroni Auger, che possono degradare rapidamente il campione. La tempistica di questo decadimento aiuterebbe a eludere il danno da radiazioni negli esperimenti che studiano diverse molecole. Inoltre, Il decadimento della coclea è un parametro chiave negli studi di esotici, stati altamente eccitati della materia, che può essere studiato solo agli XFEL.
ordinariamente, Il jitter temporale sembrerebbe precludere studi risolti nel tempo di un processo così breve in un XFEL. Per aggirare il problema del jitter, il team di ricerca ha escogitato un pionieristico, approccio altamente preciso e lo usò per tracciare il decadimento di Auger. La tecnica, soprannominato striature ad attosecondi autoreferenziali, si basa sulla mappatura degli elettroni in migliaia di immagini e sulla deduzione di quando sono stati emessi in base alle tendenze globali nei dati. "È affascinante vedere come il nostro miglioramento di una tecnica che è stata originariamente sviluppata per la caratterizzazione degli impulsi di raggi X ai laser a elettroni liberi trovi nuove applicazioni in esperimenti scientifici ultraveloci, " dice il co-autore Christopher Behrens, un ricercatore nel gruppo di ricerca sui fotoni FLASH presso DESY.
Per la prima applicazione del loro metodo, la squadra ha usato il gas al neon, dove i tempi di decadimento sono stati dedotti in passato. Dopo aver esposto sia i fotoelettroni che gli elettroni Auger a un impulso laser esterno "strisciante", i ricercatori hanno determinato la loro energia cinetica finale in ciascuna delle decine di migliaia di misurazioni individuali. In modo cruciale, in ogni misura, gli elettroni Auger interagiscono sempre con l'impulso laser striato leggermente più tardi dei fotoelettroni spostati inizialmente, perché vengono emessi dopo. Questo fattore costante costituisce il fondamento della tecnica. Combinando così tante osservazioni individuali, il team è stato in grado di costruire una mappa dettagliata del processo fisico, e quindi determinare il ritardo temporale caratteristico tra l'emissione di foto e Auger.
L'autore principale Dan Haynes, uno studente di dottorato presso la MPSD, afferma:"Le striature autoreferenziali ci hanno permesso di misurare il ritardo tra la ionizzazione dei raggi X e l'emissione Auger nel gas neon con una precisione inferiore al femtosecondo, anche se il jitter durante l'esperimento era dell'ordine dei cento femtosecondi. È come cercare di fotografare la fine di una corsa quando l'otturatore della fotocamera potrebbe attivarsi in qualsiasi momento negli ultimi dieci secondi".
Inoltre, le misurazioni hanno rivelato che la fotoionizzazione e il successivo rilassamento e decadimento Auger devono essere trattati come un singolo processo unificato piuttosto che un processo in due fasi nella descrizione teorica del decadimento Auger. In precedenti studi risolti nel tempo, il decadimento era stato modellato in maniera semiclassica.
Però, nelle condizioni presenti in queste misurazioni a LCLS, e agli XFEL in generale, questo modello è risultato inadeguato. Anziché, Andrey Kazansky e Nikolay Kabachnik, i teorici che hanno collaborato al progetto, applicato un modello completamente quantomeccanico per determinare la durata fondamentale del decadimento Auger dal ritardo osservato sperimentalmente tra ionizzazione ed emissione Auger.
I ricercatori sperano che le striature autoreferenziali avranno un impatto più ampio nel campo della scienza ultraveloce. Essenzialmente, la tecnica consente la tradizionale spettroscopia con striature ad attosecondi, precedentemente limitato a fonti da tavolo, da estendere agli XFEL in tutto il mondo man mano che si avvicinano alla frontiera degli attosecondi. In questo modo, le striature autoreferenziali possono facilitare una nuova classe di esperimenti che beneficiano della flessibilità e dell'estrema intensità degli XFEL senza compromettere la risoluzione temporale.